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熱連軋機齒輪及滾動軸承的故障機理及診斷
2010-07-15
作 者：張敬東
摘 要：熱連軋機的主要作用是通過各種減速機，將電能轉化為機械能，完成將厚鋼板軋制成薄鋼板的任務。振動信號包含著各種豐富的信息，利用振動進行設備狀態監測是Z有效的手段。文章介紹了熱連軋機振動監測技術在鋼鐵行業的應用現狀、存在的問題及發展方向。
關鍵詞：鋼鐵；熱連軋機；滾動軸承；振動監測；能量轉化；故障診斷
熱連軋機的主要作用是通過各種減速機，將電能轉化為機械能，完成將厚鋼板軋制成薄鋼板的任務，運動部件主要是傳動軸、齒輪和滾動軸承。目前對于熱連軋機振動而言，主要監測對象集中于各種減速機的齒輪箱和滾動軸承。齒輪發生故障的機理主要有齒面磨損、齒面膠合和劃痕、齒面接觸疲勞和斷齒、彎曲疲勞和斷齒等，滾動軸承發生故障的機理主要有磨損、疲勞、膠合和斷裂等。
一、齒輪及滾動軸承故障機理和故障的診斷
(一)齒輪的故障機理及故障診斷
齒輪故障機理主要有：
1.齒面磨損的機理通常是所謂的磨料磨損。當潤滑油不足或油質不清潔，在齒輪的工作面之間夾入金屬微粒、金屬氧化物或其它磨料時，將引起齒面發生磨料磨損，使齒廓顯著改變，側隙加大，以至由于齒厚過度減薄導致斷齒。
2.齒面膠合和劃痕。對于重載和高速的齒輪傳動，齒面工作區溫度很高，如潤滑條件不好，齒面間油膜破裂，一個齒面的金屬會熔焊在與之嚙合的另一個齒面上，形成垂直于節線的劃痕和膠合。一般來說，新齒輪未經跑合時常在局部產生這種現象，使齒面擦傷。另一方面，潤滑油粘度過低，運行溫度過高，齒面上單位面積載荷過大，相對滑動速度過高，以及接觸面積過小等，也會使油膜易于破裂而造成齒面劃痕。
3.齒面接觸疲勞和斷齒。齒輪在嚙合過程中，既有相對滾動，又有相對滑動，而且相對滑動的摩擦力在節點兩側的方向相反，從而產生脈動載荷。這兩種力的作用結果使齒輪表面層深處產生脈動循環變化的剪應力。當這種剪應力超過齒輪材料的剪切疲勞極限時表面將產生疲勞裂紋。裂紋擴展，Z終會使齒面金屬小塊剝落，在齒面上形成小坑，稱為點蝕。當點蝕擴大，連成一片時，形成齒面上金屬塊剝落。它一般發生在輪齒根部靠近節圓處。此外，材質不均或局部擦傷，也易在某一齒面上首先出現接觸疲勞，產生剝落。
4.彎曲疲勞和斷齒。輪齒承受載荷，如同懸臂梁，其根部受到脈沖循環的彎曲應力作用。當這種周期性應力超過齒輪材料的彎曲疲勞極限時，會在根部產生裂紋，并逐步擴展。當剩余部分無法承受外載荷時，就會發生斷齒。齒輪由于工作中嚴重的沖擊、偏載以及材質不均也可引起斷齒。齒輪異常還可分為局部故障和分布故障，前者集中表現于某個或幾個齒上，如剝落和斷齒等，后者分布在齒輪的各個齒上，如磨損和點蝕等。
一對嚙合中心齒輪，可以看作是一個具有質量、彈簧和阻尼的振動系統，根據其力學模型可寫出其振動方程。齒輪的振動屬于自激振動，即使在“理想”情況下齒輪也存在振動;齒輪振動主要來源于兩個部分，部分與齒輪的誤差和故障無關，稱為常規嚙合振動。第二部分取決于齒輪的綜合剛度和故障函數，由這一部分可以比較好地解釋齒輪信號中邊頻的存在以及他們和故障的關系。在齒輪的振動中，周向振動(即扭轉振動)是主要的。齒輪噪聲來源于齒輪的振動，薄齒輪的噪聲主要受齒輪本體振動的影響，而厚齒輪的噪聲則主要受齒輪嚙合頻率成分的影響。齒輪的振動屬于自激振動。齒輪嚙合剛度的周期性變化是由以下兩個原因：一是隨著嚙合點位置的變化，參加嚙合的單一輪齒的剛度發生了變化;二是參加嚙合的齒數在變化。無論齒輪處于正常還是故障狀態，齒輪的嚙合頻率成分是始終存在的，但在不同的狀態下振動的量級大小是有差異的，因此，根據嚙合頻率分量進行故障診斷是可行的。但是，另一方面齒輪的振動信號又是十分復雜的，故障對振動信號的影響也是多方面的，其中包括傳動誤差的影響，調制現象的存在等。
開展齒輪故障診斷的困難在于其振動信號在傳遞中所經歷的環節比較多，包括齒輪、軸、軸承、軸承座等，因而高頻信號成分(20kHz以上)在傳遞過程中基本上都損失掉了。正是由于這一原因，齒輪故障診斷往往需要借助更精細的信號分析手段，以達到提高信噪比以便能有效提取故障特征的目的。
(二)滾動軸承故障機理及故障診斷
滾動軸承的故障機理包括：(1)磨損。磨損是滾動軸承Z常見的一種失效形式，是軸承滾道、滾動體、保持架、座孔或安裝軸承的軸頸，由于機械原因引起的表面磨損。(2)疲勞。表現為滾動體或滾道表面剝落或脫皮。造成剝落的主要原因是疲勞應力，有時是由于潤滑不良或強迫安裝。(3)腐蝕。種是潤滑劑水分或濕氣的化學腐蝕;第二種是軸承表面有較大的電流通過使表面產生點蝕，或由于小電流和微振作用下形成的腐蝕，屬電腐蝕;第三種是微振腐蝕，由于軸承套圈在座孔中或軸頸上有微小的相對運動使表面產生的紅色或黑色的銹斑。(4)壓痕和膠合。壓痕是由于裝配不當，或者是由于過載和撞擊造成的表面局部凹陷。膠合發生在滑動接觸的兩個表面，表現為一個表面的金屬粘附到另一個表面上的現象。在潤滑不良，高速重載的情況下，由于摩擦發熱，軸承零件可能在極短的時間內達到很高的溫度，從而導致表面燒傷及損壞。
根據振動的起因，滾動軸承的振動可分為三種形式：軸承結構因素引起的振動，如滾動體通過時的振動，內、外圈的固有振動及軸承的彈性振動等;軸承制造因素引起的振動，如軸承零件的圓度、波紋度、傷痕、缺陷及保持架引起的振動等;使用條件引起的振動，如潤滑劑、載荷、轉速、安裝不當及配合引起的振動。
在軸旋轉時，滾動體通過徑向載荷方向的位置，使軸的中心上下移動，即產生周期性的振動，這種振動稱為滾動體的通過振動。根據徑向滾動軸承的運動關系模型建立方程，依據幾何學條件，求得幾個旋轉頻率和通過頻率，包括內圈旋轉頻率fr、保持架旋轉頻率fc、滾動體自轉頻率fb、保持架通過內圈頻率fi等參數，振動的頻譜特征是診斷振動故障的主要依據，當軸承零件有故障時，幾種通過頻率便會在振動信號中出現。
二、齒輪及滾動軸承故障的界定和診斷標準
(一)齒輪和滾動軸承故障的界定
齒輪和滾動軸承的失效很難有一個統一的標準，通常情況下取如下建議值。
齒輪失效的界定應當考慮到齒輪的強度、運動精度和維修經濟性，具體標準如下：(1)齒長磨損不應超過原齒長的30%；(2)齒厚磨損，Z大限度不應超過
滾動軸承失效的界定應當考慮到軸承的壽命、工作性能和維修經濟性，具體標準如下：(1)徑向間隙許用極限：
(二)齒輪和滾動軸承故障的診斷標準
1.判斷標準。(1)齒輪故障的判斷標準。對于1kHz 以下振動，速度的峰值在
2.相對判斷標準。對同一部位(同一測點、同一方向和同一工況)進行定期測定，將正常情況的值定為初始值(或正常值)，將實測值與正常值進行比較，根據倍數來判斷故障。在齒輪和滾動軸承的故障分析中，由于故障的離散性較大，較多使用以時間軸為基準的對比分析。通常考慮1000Hz以內的頻率分量增加2倍，1000Hz以上的頻率分量增加3倍作為狀態惡化的警告值。1000Hz以內的頻率分量增加4倍，1000Hz以上的頻率分量增加6倍作為狀態惡化的危險值。
3.類比判斷標準。有數臺機型、規格相同的設備時，在相同條件下進行測定，經過相互比較作出判斷，稱為類比判斷。一般，當低頻(1000Hz以內)振幅大于其它大多數正常設備的1倍以上，高頻(1000Hz以上)的振幅大于2倍以上時，設備可能出現異常。當低頻振幅大于2倍以上，高頻振幅大于4倍以上時，應考慮立即停機。
眾所周知，振動分析在大型旋轉機械故障診斷領域取得了極大成功，因為旋轉機械故障機理研究比較清楚，故障特征比較典型，如不平衡表現為一倍頻較大，不對中表現為二倍頻較大，碰摩表現為低頻較大，松動表現為高頻較大等，不同故障的特征差異較大，不容易混淆，易于區別。從振動頻譜來看，故障的特征頻譜通常是轉速的整倍數或分倍數，因此需要進行整周期采樣，一般通過FFT即可得到比較準確的故障特征頻率。此外，有大量的現場故障案例，故障的重復性較多，具有豐富的診斷經驗。
軋鋼機械主要由齒輪和滾動軸承構成，由于受到齒輪齒數和軸承滾動體個數的影響，故障的特征頻率通常不再是轉速的倍數關系，而且差別不明顯。同時，由于受到條件限制，測量振動的傳感器一般安裝在與振動源較遠的殼體上，信號傳遞途徑復雜，影響因素多，受干擾大，故障特征不明顯，同時信號分析過程比較復雜，并且缺少典型案例和故障診斷經驗，給軋鋼機械的故障診斷帶來較大的困難。因此，對軋鋼機械進行故障診斷，除了如一般機械常規的波形和頻譜分析外，還需要進行某些特征數據的計算分析以及頻率細化技術、倒頻譜、包絡譜和小波變換等。
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