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摘要：根據精軋機錐箱結構特點，選用幅域和頻域2種振動分析方法，準確判斷精軋機錐箱軸承故障和故障發展趨勢，對診斷其他類似設備軸承故障具有借鑑作用。
0引言
精軋機組作為熱軋帶鋼生產的核心部分，通常由4～8臺軋機組成，各精軋機以十字交叉式緊密排布。因精軋機體積較小，內部零部件結構緊湊，轉速高（通常大於 2000 r/min），頻繁過鋼造成衝擊等原因，使內部軸承易於損壞。為提前發現軋機內部軸承故障，保證設備運行可控，本文利用振動分析技術中多種參數相結合，根據幅值和頻譜特徵及兩者的變化趨勢，最終確定軸承故障情況。
1、振動分析技術
1.1幅域分析技術
精軋機測得的波形含有齒輪、軸承及其他零部件振動信號，因此其波形複雜，很難直觀讀取故障信息。幅域分析技術以信號 幅值為自變量，研究信號的幅值、相位、能量和概率分布情況，為此可以通過以上特徵的變化，評估設備運行狀態。常用的幅域分析方法是查看幅域特徵值中有效值、峭度指標、裕度指標隨時 間的變化情況，評估設備是否正常。對於某個有限時間長度T的實測振動信號 x（t），其有效值、峭度指標和裕度指標分別為：
從公式（2）和（3）可以看出，峭度指標和裕度指標的物理意義相似，均是用來檢測信號中有無衝擊的指標，不過公式的表達形 式差異較大，而振動有效值則是反映設備整體的運轉狀態好壞。頻域分析技術就是將測得的時間歷程上的振動信號通過數學方法得到原始信號的頻率分布情況，通過分析特定頻率分布情況判斷設備故障部位。常用的頻域分析方法有幅值譜分析、 共振解調技術等。 幅值譜分析就是將原始振動信號直接進行快速傅立葉變換（FFT）得到頻率與幅值相關的頻譜圖。共振解調技術是利用高 頻帶通濾波器剔除振動信號中帶有噪聲的「低頻」成分，保留含 有因軸承表面缺陷激發的設備自身高頻固有振動及該頻率附近 的軸承故障衝擊成分，然後利用包絡解調去除高頻衰減振動的 頻率成分。從而得到只包含故障特徵信息的低頻包絡信號，再通 過傅氏變換得到低頻軸承故障特徵頻率。
某廠 23# 精軋機內部結構如圖 1 所示，其中，①～⑥為錐箱各處軸承代號。錐箱齒輪齒數：z1=60，z2=95，z3=39，z4=32；本文採用加速度傳感器進行離線振動監測，測點位置在各軸承位置附近，每次採集時間為0.64s，線數為12800線。2018年4月19日，開始對該軋機錐箱進行振動監測，轉速為 2410 r/min；測得的③號軸承加速度幅值譜圖，特點是頻譜主要存在二級齒輪嚙合頻率，2973Hz為二級嚙合頻率的3倍頻，頻譜無明顯其他頻率成分，頻譜乾淨無雜波。共振解調後的加速度包絡頻譜圖，頻譜主要為二級齒輪嚙合頻率，無其他明顯周期頻率。2018年7月11日，發現③號軸承加速度包絡頻譜存在206.25 Hz 的周期頻率，轉速為 2182 r/min，該頻率與③號軸承內圈故障頻率208.73Hz接近，因此懷疑③號軸承存在內圈故障，測得包絡幅值為4.44 m/s2。③號軸 承的加速度幅值 譜僅明顯看出二級齒輪嚙合頻率895.313Hz 及其諧波，未發現間隔為 206.25 Hz 的周期頻率。比較2018年4月19日和7月11日測量結果，嚙合頻率周圍出現大量雜亂邊頻，並存在較高的底腳能量，懷疑內部存在鬆動或摩擦。2018年9月3日，現場人員反應精軋機內部存在異聲，監 測後發現其加速度幅值譜「低頻」（ 0～1000 Hz）區域明顯存在159.375Hz 頻率周期頻率，轉速為 2080 r/min，該頻率與③號軸 承外圈故障頻率159.35Hz接近。懷疑③號軸承故障已由內圈發展至外圈，除外圈故障頻率外，頻譜含有大量雜頻，在 1000～2000 Hz 頻率範圍內頻譜存在明顯的底腳能量，懷疑軸承故障已發展至中後期；同樣加速度包絡頻譜存在明顯159.375Hz頻率及其諧波，且包絡幅值由 4.44 m/s2 增加至 8.3 m/s2，表明故障已惡化。
2018年4 月19日—9月3日，在③號軸承測點處測得的振動有效值、峭度指標和裕度指標趨勢圖，3個幅域特徵值隨著時間推移均呈增長趨勢，且3個指標 9月3日數據均有明顯增大，其中裕度指標相對於峭度指標增加幅度更加明顯，而振動有效值也從3.24 mm/s 增加至 5.27 mm/s，已明顯超過異常值 3 mm/s。從3個指標的趨勢可以看出軸承故障自8月29日後明顯惡化。綜合上述分析，懷疑 23# 精軋機錐箱③號軸承存在外圈和內圈故障，且故障已發展至中後期，故障惡化較快，建議儘快檢修。9 月6日，拆檢23#精軋機錐箱，發現③號軸承內圈、外圈均存在明顯局部點蝕剝落（圖 2），故障較為嚴重；除該軸承損壞外，其餘軸承表面均無明顯故障，故障結果與診斷基本一致。對於精軋機錐箱這類體 積小，結構緊湊的設備，共振解調技術相對於幅值譜其信噪比更高，更易發現軸承故 障。實際中振動有效值、峭度指標和裕度指標均對精軋機 軸承早期故障不敏感，但隨著故障發展，3個數值均有不同程度增加，在一定程度上可以跟蹤軸承故障發展趨勢。當軸承發展至中後期，幅值譜「低頻」處會出現大量軸承故障頻率，並存在大量雜波邊頻，此時振動有效值也明顯增大，這2個參數變化情況都可以作為判斷軸承故障嚴重程度有效參考。隨著軸承故障發展，裕度指標相對於峭度指標數值變化幅度更大，因此裕度指標對於這種局部類軸承故障更加敏感。振動分析技術可以對精軋機這類精密設備的軸承故障進行有效診斷，節約了維修成本，為公司預防性維修提供有力保障。
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