黄颂光
摘要对湘钢高线精轧机组出现的不平衡、松动、轴承损坏等故障进行诊断分析，提出了设备的故障特征，为查找和诊断故障岁供有效手段。
关键词高线精轧机组故障诊断
中图分类号TG333.13文献标识码B
湘钢高线厂一线精轧机组是从美国MORGAN引进的第五代轧机，轧机设计速度为120m/s，保证速度为105m/s。如图1所示，精轧机10个机架分为两组，分别为5个串联的奇数机架和5个串联的偶数机架，均安装在同一底座上。增速箱输入轴与主电机联接，两根输出轴分别与奇数机架和偶数机架联接，向轧机输出转矩。
精轧机结构紧凑，各机架的伞齿轮箱零部件等不具备互换性，且价格昂贵，备件量很少，设备一旦发生事故就很可能酿成严重的后果，因此监测设备的运行状况并准确及时进行处理是精轧机设备维护的重要内容。精轧机的监测主要包括振动、声音、温度、润滑油品、轴承间隙变化等多方面进行跟踪检测，其中振动监测采集方便、分析手段多样、结果准确等特点，是设备状态监测主要手段。从1995年12月投产至今，精轧机设备曾多次出现设备故障，均通过成功的监测和判断进行了及时的处理和预防，取得了良好的效果。
1.机架振动值不稳定，且空载时大于加载时。
27#精轧机的伞齿轮箱检修后在试车过程中发现了异常现象。空负荷试车转速在60％时检测27#机③点（图1）径向的振动速度为0.8mm/s，当递增到70％时，振动出现明显增大，达到4.5mm/s，继续提升到77％后振动速度达到8.9mm/s。按照该速度进行生产，轧机带上负荷后，振动值降到4.7mm/s，但在轧制的间隔时间即无负荷时振动又回升到8.9mm/s，该机架其他各点检测也有类似的现象，但幅值略小。
图2和图3分别是空负荷与负载时检测的27#机运转时的振动频谱。图2中67.58Hz是主动伞齿轮轴的基频，峰值为7.12mm/s，从频谱来看确认该机架存在明显的不平衡故障，且带有一定的不对中。图3中显示在轧机负载时基频的幅值降到3.61mm/s，这说明主动伞齿轮轴的不平衡量是变化的，即轧机的负载改变了主动伞齿轮轴的不平衡程度。
之后对27#机主动伞齿轮轴进行检查，发现主动伞齿轮轴与增速箱之间的联轴器外套法兰面没有完全贴合，有一个位置存在0.2mm的间隙，进行处理重新安装后检测27#机空载为2.0mm/s，负载时为2.8mm/s，设备恢复正常。
根据以上情况，对27#机负载与空载状态振动出现的明显变化进行分析：27#机与增速箱之间用一个带中间轴的联轴器联接，安装在27#机轴和增速机轴上均是半个鼓形齿联轴器，传动轴两端为半个凸缘联轴器。在检修时对27#机侧进行了拆装，由于鼓形齿联轴器的特点，外套与内套的齿啮合，两者之间不是刚性联接，在安装时法兰面没有完全贴合，导致外套及与其联接的中间轴倾斜，在运转时产生了不平衡和不对中，造成设备振动过大；在负载时因联轴器外套和内套之间齿面的摩擦力增加，限制了联轴器外套和传动轴的径向移动，促使不平衡量减小，从而使振动减弱。
精轧机是高速运转的设备，最高转速达12000r/min，精轧机上的联轴器、轴和齿轮等都有严格的动平衡要求，轴或齿轮更换后需做组件的动平衡。备件选用不严格或安装不当都会破坏转轴的平衡，如换辊后，轧辊轴上辊环的保护帽装不到位也会出现不平衡故障。
2.增速箱各测点的振动速度在2.0～5.4mm/s范围内变化，并且声音随着振动的增加而增大。
图4为增速箱测点②（图1）水平振动速度频谱。图中较高峰值为64.6Hz、129.13Hz、258.34Hz、387.23Hz、774.85Hz，分别对应输出轴的l×、2×、4×、6×、12×、2×峰值达到1.49mm/s，远远高于其他峰值，由此推断该轴与轧机输入轴之间存在不对中；从频谱中出现的多个谐波表示该轴存在松动现象。由于该轴同时存在不对中与松动的现象，可以判断故障点在该轴的支撑部位。
图5是测点②的包络频谱，图中峰值129.02Hz、387.04Hz、775.31Hz、904.47Hz分别对应该机架输出轴2×、6×、12×和14×。由包络图谱的倍频特征也证明该轴存在松动。测点②的尖峰能量值有明显的升高，从故障前的0.191g’s上升到1.07g’s，这说明此轴存在金属之间的碰摩。
图4和图5中没有轴承内部故障的频率，再对出现故障前历史数据进行分析，没有发现轴承本体故障频率的特征，根据经验，轴承内圈松动发生的频率较高，且具有突发性，因此推断此处为轴承内圈松动。
对增速箱进行解体检修，发现输出轴测点②的圆柱滚于轴承内圈与轴存在间隙（原为过盈配合），轴颈直径磨损了0.15mm。轴承除内孔有磨损外，其他部分均完好。对该轴颈按照尺寸的上偏差进行修复，更换轴承，并在安装进行对中检查校正，恢复生产后增速箱振动速度为1.8mm/s，已为正常。
从以上情况可知，转轴上轴承内圈受到冲击负荷、交变应力或过盈不足等因素的影响与轴发生松动，并与轴发生摩擦而致使轴颈磨损，从而导致该轴与27#机主动伞齿轮轴之间出现不对中现象。由于轴承松动后产生金属与金属之间的碰摩，会引起冲击能量值升高，在包络频谱图中也常常会出现基频的谐波。
松动故障在精轧机出现较多，投产初期主要以转轴上轴套和隔环松动现象为主。原设计这些轴套和隔环与轴之间为间隙配合，靠装配时将其轴向压紧固定以防止发生转动，但在实际工作过程中因冲击、振动和温度等因素的影响，轴套或隔环容易发生松动而与轴发生相对旋转，严重时还会造成轴磨损。通过多次改造将轴套和隔环与轴之间改为过盈配合后，现已消除了这类故障。目前滚动轴承内圈松动相对较多，这类故障的原因主要是配合、安装或轴向压紧等原因造成的，主要采用提高轴承装配质量进行控制。
3.增速箱测振时发现测点⑤（图1）径向振动值有增大的趋势，且已超过4.5mm/s的门槛值，达到4.8mm/s。
为了确认振动增大的原因，对频谱进行分析。图6是测点⑤径向的振动速度频谱，72.57Hz是偶数机架输出轴的基频，1017.16Hz和1089.85Hz是它的14×和15×，这说明该轴可能存在松动。与以往的频谱进行对比分析，713.64Hz和1427.39Hz在以前的频谱中没有出现过，通过计算713.64Hz与该点轴承外圈的故障频率714.23Hz非常接近，而1427.39Hz则是713.64Hz的2×，由此可以确定为轴承的外圈损坏。
检修解体增速箱后，发现测点⑤轴承外圈滚道有三处出现轻微剥落，并有两个滚动体出现点蚀。而且还发现在轴承座内孔和轴承外圈的外圆面有磨损痕迹，轴承座内孔磨损量为0.07mm，这说明该轴承同时还存在松动的故障。更换轴承并对磨损部位涂圆柱固持胶处理后，增速箱恢复正常运行。
4.22#机主动伞齿轮轴测点⑧（图1）径向振动瞬时最大值突然上升为5.9mm/s，然后振动逐渐趋于平稳，处于3.6mm/s左右，但此处的声音也有点异常。
图7是该机架测点⑧的径向振动频谱图。图中峰值主要是基频69.18Hz及其2×和3×，这说明该机架主动伞齿轮轴出现松动的迹象。在主动伞齿轮轴固定端有2个或3个角接触球轴承，是精轧机发生故障频率相对较高的地方，此处轴承磨损后造成轴承游隙增大，一般会出现松动故障的现象。而且该点的尖峰能量值也上升到1.13g’s，测点⑧位置就是主动伞齿轮轴的固定端，根据所监测到的情况并综合以往经验判断测点⑧有轴承损坏。
对22#机伞齿轮箱进行检修，检测主动伞齿轮轴轴向间隙数据已超标，由4年前装配时的0.09mm增加到0.16mm，并在轴承附近发现有少量金属屑。解体后发现靠伞齿轮端一列角接触球轴承损坏，轴承内圈滚道有磨损剥落，少部分滚动体表面出现点蚀。其他两列轴承情况正常。
增速机和伞齿轮箱内滚动轴承使用寿命为4～5年，但在实际运行中由于润滑、负载、装配等因素有的轴承可能提前失效，主要表现为轴承滚道和滚动体表面疲劳剥落，严重时会造成保持架磨损断裂。从投产至今，主动伞齿轮轴上球轴承共出现7次该类故障。在故障初期，轴承的振动幅值、温度和声音变化往往不明显，容易被忽略，定期对设备进行包络分析是查找设备早期故障的有效手段。
由于振动监测与诊断在精轧机设备维护的重要作用，同时采用三种方式对精轧设备进行振动监测，包括每班使用简易检测工具对设备进行趋势检测、使用便携的检测分析设备定期对设备检测和分析和利用在线振动监测系统对设备进行实时监测，这三种方式相互取长补短，有效地避免出现突发的设备故障，并有利于设备的点检定修管理，保障了生产的稳定进行。
参考文献
1屈梁生，何正嘉．机械故障诊断学．上海科技出版社，1986
2虞和济．设备故障诊断工程．冶金工业出版社，2001