精轧机锥箱轴承故障振动分析
郝鸿鑫 李俊堂 陈炳振 孙高飞
（青岛特殊钢铁有限公司装备部）
摘 要：根据精轧机锥箱结构特点，选用幅域和频域2种振动分析方法，准确判断精轧机锥箱轴承故障和故障发展趋势，对诊断其他类似设备轴承故障具有借鉴作用。
0 引言
精轧机组作为热轧带钢生产的核心部分，通常由4～8台轧机组成，各精轧机以十字交叉式紧密排布。因精轧机体积较小，内部零部件结构紧凑，转速高（通常大于 2000 r/min），频繁过钢造成冲击等原因，使内部轴承易于损坏。为提前发现轧机内部轴承故障，保证设备运行可控，本文利用振动分析技术中多种参数相结合，根据幅值和频谱特征及两者的变化趋势，最终确定轴承故障情况。
1、振动分析技术
1.1幅域分析技术
精轧机测得的波形含有齿轮、轴承及其他零部件振动信号，因此其波形复杂，很难直观读取故障信息。幅域分析技术以信号 幅值为自变量，研究信号的幅值、相位、能量和概率分布情况，为此可以通过以上特征的变化，评估设备运行状态。常用的幅域分析方法是查看幅域特征值中有效值、峭度指标、裕度指标随时 间的变化情况，评估设备是否正常。对于某个有*长度t的实测振动信号 x（t），其有效值、峭度指标和裕度指标分别为：
从公式（2）和（3）可以看出，峭度指标和裕度指标的物理意义相似，均是用来检测信号中有无冲击的指标，不过公式的表达形 式差异较大，而振动有效值则是反映设备整体的运转状态好坏。
1.2频域分析技术
频域分析技术就是将测得的时间历程上的振动信号通过数学方法得到原始信号的频率分布情况，通过分析特定频率分布情况判断设备故障部位。常用的频域分析方法有幅值谱分析、 共振解调技术等。
幅值谱分析就是将原始振动信号直接进行快速傅里叶变换（fft）得到频率与幅值相关的频谱图。共振解调技术是利用高 频带通滤波器剔除振动信号中带有噪声的“低频”成分，保留含 有因轴承表面缺陷激发的设备自身高频固有振动及该频率附近 的轴承故障冲击成分，然后利用包络解调去除高频衰减振动的 频率成分。从而得到只包含故障特征信息的低频包络信号，再通 过傅氏变换得到低频轴承故障特征频率。
2、故障案例分析
2.1 设备简介
某厂 23# 精轧机内部结构如图 1 所示，其中，①～⑥为锥箱各处轴承代号。锥箱齿轮齿数：z1=60，z2=95，z3=39，z4=32；本文采用加速度传感器进行离线振动监测，测点位置在各轴承位置附近，每次采集时间为0.64s，线数为12800线。
2.2振动分析过程
2018年4月19日，开始对该轧机锥箱进行振动监测，转速为 2410 r/min；测得的③号轴承加速度幅值谱图，特点是频谱主要存在二级齿轮啮合频率，2973hz为二级啮合频率的3倍频，频谱无明显其他频率成分，频谱干净无杂波。共振解调后的加速度包络频谱图，频谱主要为二级齿轮啮合频率，无其他明显周期频率。
2018年7月11日，发现③号轴承加速度包络频谱存在206.25 hz 的周期频率，转速为 2182 r/min，该频率与③号轴承内圈故障频率208.73hz接近，因此怀疑③号轴承存在内圈故障，测得包络幅值为4.44 m/s2。③号轴 承的加速度幅值 谱仅明显看出二级齿轮啮合频率895.313hz 及其谐波，未发现间隔为 206.25 hz 的周期频率。比较2018年4月19日和7月11日测量结果，啮合频率周围出现大量杂乱边频，并存在较高的底脚能量，怀疑内部存在松动或摩擦。
2018年9月3日，现场人员反应精轧机内部存在异声，监测后发现其加速度幅值谱“低频”（ 0～1000 hz）区域明显存在159.375hz 频率周期频率，转速为 2080 r/min，该频率与③号轴 承外圈故障频率159.35hz接近。怀疑③号轴承故障已由内圈发展至外圈，除外圈故障频率外，频谱含有大量杂频，在 1000～2000 hz 频率范围内频谱存在明显的底脚能量，怀疑轴承故障已发展至中后期；同样加速度包络频谱存在明显159.375hz频率及其谐波，且包络幅值由 4.44 m/s2增加至 8.3 m/s2，表明故障已恶化。
2018年4 月19日—9月3日，在③号轴承测点处测得的振动有效值、峭度指标和裕度指标趋势图，3个幅域特征值随着时间?移均呈增长趋势，且3个指标 9月3日数据均有明显增大，其中裕度指标相对于峭度指标增加幅度更加明显，而振动有效值也从3.24 mm/s 增加至 5.27 mm/s，已明显超过异常值 3 mm/s。从3个指标的趋势可以看出轴承故障自8月29日后明显恶化。综合上述分析，怀疑 23# 精轧机锥箱③号轴承存在外圈和内圈故障，且故障已发展至中后期，故障恶化较快，建议尽快检修。
3、承拆检确认
9月6日
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摘 要：根据精轧机锥箱结构特点，选用幅域和频域2种振动分析方法，准确判断精轧机锥箱轴承故障和故障发展趋势，对诊断其他类似设备轴承故障具有借鉴作用。
0 引言
精轧机组作为热轧带钢生产的核心部分，通常由4～8台轧机组成，各精轧机以十字交叉式紧密排布。因精轧机体积较小，内部零部件结构紧凑，转速高（通常大于 2000 r/min），频繁过钢造成冲击等原因，使内部轴承易于损坏。为提前发现轧机内部轴承故障，保证设备运行可控，本文利用振动分析技术中多种参数相结合，根据幅值和频谱特征及两者的变化趋势，最终确定轴承故障情况。
1、振动分析技术
1.1幅域分析技术
精轧机测得的波形含有齿轮、轴承及其他零部件振动信号，因此其波形复杂，很难直观读取故障信息。幅域分析技术以信号 幅值为自变量，研究信号的幅值、相位、能量和概率分布情况，为此可以通过以上特征的变化，评估设备运行状态。常用的幅域分析方法是查看幅域特征值中有效值、峭度指标、裕度指标随时 间的变化情况，评估设备是否正常。对于某个有*长度t的实测振动信号 x（t），其有效值、峭度指标和裕度指标分别为：
从公式（2）和（3）可以看出，峭度指标和裕度指标的物理意义相似，均是用来检测信号中有无冲击的指标，不过公式的表达形 式差异较大，而振动有效值则是反映设备整体的运转状态好坏。
1.2频域分析技术
频域分析技术就是将测得的时间历程上的振动信号通过数学方法得到原始信号的频率分布情况，通过分析特定频率分布情况判断设备故障部位。常用的频域分析方法有幅值谱分析、 共振解调技术等。
幅值谱分析就是将原始振动信号直接进行快速傅里叶变换（fft）得到频率与幅值相关的频谱图。共振解调技术是利用高 频带通滤波器剔除振动信号中带有噪声的“低频”成分，保留含 有因轴承表面缺陷激发的设备自身高频固有振动及该频率附近 的轴承故障冲击成分，然后利用包络解调去除高频衰减振动的 频率成分。从而得到只包含故障特征信息的低频包络信号，再通 过傅氏变换得到低频轴承故障特征频率。
2、故障案例分析
2.1 设备简介
某厂 23# 精轧机内部结构如图 1 所示，其中，①～⑥为锥箱各处轴承代号。锥箱齿轮齿数：z1=60，z2=95，z3=39，z4=32；本文采用加速度传感器进行离线振动监测，测点位置在各轴承位置附近，每次采集时间为0.64s，线数为12800线。
2.2振动分析过程
2018年4月19日，开始对该轧机锥箱进行振动监测，转速为 2410 r/min；测得的③号轴承加速度幅值谱图，特点是频谱主要存在二级齿轮啮合频率，2973hz为二级啮合频率的3倍频，频谱无明显其他频率成分，频谱干净无杂波。共振解调后的加速度包络频谱图，频谱主要为二级齿轮啮合频率，无其他明显周期频率。
2018年7月11日，发现③号轴承加速度包络频谱存在206.25 hz 的周期频率，转速为 2182 r/min，该频率与③号轴承内圈故障频率208.73hz接近，因此怀疑③号轴承存在内圈故障，测得包络幅值为4.44 m/s2。③号轴 承的加速度幅值 谱仅明显看出二级齿轮啮合频率895.313hz 及其谐波，未发现间隔为 206.25 hz 的周期频率。比较2018年4月19日和7月11日测量结果，啮合频率周围出现大量杂乱边频，并存在较高的底脚能量，怀疑内部存在松动或摩擦。
2018年9月3日，现场人员反应精轧机内部存在异声，监测后发现其加速度幅值谱“低频”（ 0～1000 hz）区域明显存在159.375hz 频率周期频率，转速为 2080 r/min，该频率与③号轴 承外圈故障频率159.35hz接近。怀疑③号轴承故障已由内圈发展至外圈，除外圈故障频率外，频谱含有大量杂频，在 1000～2000 hz 频率范围内频谱存在明显的底脚能量，怀疑轴承故障已发展至中后期；同样加速度包络频谱存在明显159.375hz频率及其谐波，且包络幅值由 4.44 m/s2增加至 8.3 m/s2，表明故障已恶化。
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