機(jī)械振動(dòng)學(xué)結(jié)課論文基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的設(shè)備故障診斷技術(shù)在大型軋鋼機(jī)械上的應(yīng)用

1、機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械振動(dòng)學(xué)結(jié)課論文基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的設(shè)備故障診斷技術(shù)在大型軋鋼機(jī)械上的應(yīng)用指導(dǎo)教師： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)：姓名： 基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的設(shè)備故障診斷技術(shù)在大型軋鋼機(jī)械上的應(yīng)用 作者:摘要： 對(duì)基于振動(dòng)的設(shè)備故障診斷技術(shù)做了較全面和深入的介紹,通過實(shí)例介紹了該診斷技術(shù)在軋鋼機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。指出該診斷技術(shù)可同時(shí)對(duì)一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的時(shí)域、頻域、相關(guān)域、統(tǒng)計(jì)域等分析,具有一定的趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析能力。關(guān)鍵詞： 軋鋼機(jī)械; 振動(dòng)監(jiān)測(cè); 故障診斷abstractthe vibrating monitoring based fault diagnosis technology was introduced genera

2、lly and deeply the application of the diagnosis technology on steel rolling machines was also introduced by examples:the technology could simultaneously analyze a monitoring point about its time domain, frequency，domain, correlation domain and statistic domain.key words: steel rolling machine; vibra

3、ting monitoring; fault diagnosingand it has the analyses ability of trend based1 前沿軋鋼機(jī)械屬于大型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,是軋鋼廠的關(guān)鍵設(shè)備。轉(zhuǎn)軸組件是軋機(jī)的核心部分,它包括旋轉(zhuǎn)軸、齒輪傳動(dòng)件、聯(lián)軸器、滑動(dòng)和滾動(dòng)軸承等。人們通過長(zhǎng)期觀察和實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的絕大多數(shù)前期故障都會(huì)表現(xiàn)出異常的振動(dòng),因此掌握機(jī)械振動(dòng)的一般規(guī)律就能從振動(dòng)信號(hào)中識(shí)別出常見的設(shè)備故障。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)波形進(jìn)行簡(jiǎn)單的時(shí)域、頻域以及小波分析可對(duì)振動(dòng)進(jìn)行一般的識(shí)別,振動(dòng)的可識(shí)別性是對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行振動(dòng)噪聲測(cè)試分析的技術(shù)前提。因此,采用在設(shè)備診斷技術(shù)領(lǐng)域較成熟的

4、振動(dòng)分析技術(shù)作為技術(shù)的突破口對(duì)軋鋼機(jī)進(jìn)行日常振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè),就能在設(shè)備運(yùn)行中或基本不拆卸全部設(shè)備的情況下,掌握軋機(jī)運(yùn)行狀態(tài),判定產(chǎn)生故障的部位和原因,并預(yù)測(cè)未來的技術(shù)狀態(tài),從而可在早期有效地發(fā)現(xiàn),以及在后期及時(shí)地抑制故障,保障生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。2信號(hào)識(shí)別與獲取任何機(jī)器設(shè)備在運(yùn)行中都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),機(jī)器的振動(dòng)信號(hào)中包含了豐富的機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)信息當(dāng)設(shè)備發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí),振動(dòng)將會(huì)發(fā)生變化,一般表現(xiàn)為振幅加大。由不同類型性質(zhì)原因和部位產(chǎn)生的故障所激發(fā)的振動(dòng)具有不同的特征,這些特征表現(xiàn)為頻率成分，幅值大小、相位差別、波形形狀和能量分布狀況等。振動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)和特征不僅與故障有關(guān),還與系統(tǒng)的固有特性有關(guān),具體表現(xiàn)

5、為同一故障發(fā)生的部位不同、故障激勵(lì)傳遞通道 (即傳遞函數(shù))不同,其振動(dòng)特征和響應(yīng)亦會(huì)有較大的差別。總之,設(shè)備的振動(dòng)是由故障激勵(lì)和系統(tǒng)特性所共同決定的,但很多情況下,振動(dòng)特征和故障類型之間并不是一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,不能簡(jiǎn)單地對(duì)號(hào)入座,這就給振動(dòng)的識(shí)別帶來一定的困難。因此,振動(dòng)的識(shí)別對(duì)于設(shè)備診斷技術(shù)的完善是至關(guān)重要的。軋鋼機(jī)械工作時(shí)軋件是非連續(xù)地被軋制的,其轉(zhuǎn)速并不恒定、功率更是從空載到滿負(fù)荷間周期地波動(dòng)。從原動(dòng)機(jī)到軋輥間有龐大的傳動(dòng)和減速機(jī)構(gòu),能出現(xiàn)的故障類型很多,因此檢測(cè)設(shè)備測(cè)點(diǎn)點(diǎn)檢方式和點(diǎn)檢時(shí)間的選擇對(duì)診斷的準(zhǔn)確與否起關(guān)鍵作用。為保證所測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性,在測(cè)定數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則: 每次測(cè)量要

6、在同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行,否則由于激振源到測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)不同 ,而使測(cè)量的結(jié)果相差很大。保持每次測(cè)量時(shí)機(jī)器的工況相同。保持測(cè)量的參數(shù)相同,一般來說,頻率在10100hz的振動(dòng)應(yīng)以移作為數(shù)采器的輸出參數(shù),頻率在 1001 000hz的振動(dòng)應(yīng)以速度作為數(shù)采器的輸出參數(shù),頻率在 1 000hz以上的振動(dòng)應(yīng)以加速度作為數(shù)采器的輸出參數(shù)。使用的儀器相同和測(cè)量的方法(如傳感器號(hào)傳遞的通道上而且路線最短的位置 ,盡量減少 (3) 測(cè)點(diǎn)應(yīng)選擇在便于多方位測(cè)量的置。一般測(cè)振動(dòng)要選定三個(gè)方向(水平x、垂y、軸a )來評(píng)定,特別對(duì)低頻振動(dòng),更要強(qiáng)調(diào)其方向性(高頻振動(dòng)對(duì)方向不敏感).(4) 對(duì)于大型機(jī)械設(shè)備,受傳遞函數(shù)的影響,

7、應(yīng)多點(diǎn)檢測(cè)。3軋鋼機(jī)械等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見障及其診斷方法旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見故障,按轉(zhuǎn)子類型和振動(dòng)性質(zhì)的不同,可分為 :轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、基座或裝配松動(dòng)、轉(zhuǎn)子與定子摩擦、感應(yīng)電機(jī)振動(dòng)滾動(dòng)軸承故障、齒輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)等。利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)這些常見機(jī)械故障可進(jìn)行較為準(zhǔn)確的診斷。3. 1轉(zhuǎn)子不平衡不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最常見的一種故障。引起不平衡的原因較多,如安裝不良造成偏心、配合松動(dòng)、軸彎曲變形、加工制造誤差以及長(zhǎng)期運(yùn)行中產(chǎn)生不均勻磨損等。我們從離心力的計(jì)算公式易知,不平衡振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的變化是最敏感的。轉(zhuǎn)子不平衡的振動(dòng)特征是:剛性轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)振幅隨轉(zhuǎn)速的增大而增大,柔性轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)時(shí)振幅是先增大而后減小.在頻率特

8、征方,不平衡動(dòng)的頻率成分單一而明朗 ,主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子的基頻;在相位方面,水平和垂直方向的振動(dòng)相差90,且通常水平方向的振動(dòng)比垂直方向的大、徑向振動(dòng)比軸向振動(dòng)要大。3. 2轉(zhuǎn)子不對(duì)中轉(zhuǎn)子不對(duì)中是指轉(zhuǎn)子中心與軸承中心不對(duì)中,或多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中各轉(zhuǎn)子的軸線不對(duì)中,也是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一類多發(fā)性典型故障。不對(duì)中有三種類型,即平行不對(duì)中、角度不對(duì)中、綜合不對(duì)中。其產(chǎn)生的原因有:轉(zhuǎn)子及支座安裝不良、軸承支座不均勻膨脹引起變形、地基變形以及熱不對(duì)中等。轉(zhuǎn)子不對(duì)中的振動(dòng)特征是:當(dāng)轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)將產(chǎn)生一種附加彎矩,形成附加激勵(lì),故軸向振動(dòng)往往是存在不對(duì)中的一種征兆。在振動(dòng)頻率特征方面,平行不對(duì)中主要激起 2倍轉(zhuǎn)頻,角度不對(duì)

9、中則表現(xiàn)為同頻振動(dòng)突出 ,它們的共同點(diǎn)是以旋轉(zhuǎn)頻率的2倍頻或4倍頻為主 ,尚伴有高次倍平行不對(duì)中時(shí),轉(zhuǎn)子兩端徑向振動(dòng)相位相差180; 角度不對(duì)中時(shí),聯(lián)軸器兩端軸向振相位相差180,而徑向相位相同。3. 3基座或裝配松動(dòng) 松動(dòng)常和不平衡相伴生,表現(xiàn)為非線形的振動(dòng)特征。地腳松動(dòng)引起的振動(dòng)方向特征很明顯,表現(xiàn)在垂直方向的振動(dòng)很強(qiáng)烈。由零件配合松動(dòng)引起的振動(dòng),其方向特征不明顯。在振幅方面,松動(dòng)引起的振動(dòng)隨負(fù)荷的增加而增大,但對(duì)轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出無規(guī)律的變化,忽大忽小,呈跳躍式變化。在振動(dòng)頻率特征方面,除基頻成分外,基頻的奇數(shù)倍頻突出 (常高于基頻的幅值 ) ,伴有3倍,5倍,7倍及0. 30. 5倍的諧波成分

10、,頻譜結(jié)構(gòu)成梳狀。3. 4轉(zhuǎn)子與定子摩擦 此類摩擦屬干摩擦,大多表現(xiàn)為徑向摩擦。摩擦振動(dòng)屬于非線性振動(dòng),頻帶范圍很寬,除基頻外,還有2倍以及 1 /3、 /2 等諧波成分。在時(shí)域31波形上,常表現(xiàn)為削波狀態(tài),“截頭余弦”形狀的波形是摩擦故障特有的重要志。在某些特殊情況下,摩擦還可能激起系統(tǒng)的固有頻率振動(dòng) 。3. 5感應(yīng)電機(jī)振動(dòng)故障特征電動(dòng)機(jī)是一種典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械,在機(jī)械故障的表現(xiàn)方面具有旋轉(zhuǎn)機(jī)械的共同特點(diǎn),如存在轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)、摩擦等故障類型。感應(yīng)電機(jī)的振動(dòng)故障的一大特點(diǎn)是包括機(jī)械和電氣兩方面內(nèi)容 ,發(fā)生的故障除機(jī)械因素外還與電氣相關(guān),如轉(zhuǎn)子與定子間磁隙不均勻、電壓不穩(wěn)定、匝間短路等也

11、會(huì)引起電機(jī)的異常振動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中突然給它斷電 ,其時(shí)如果振動(dòng)立即下降為零,即說明電動(dòng)機(jī)存在電氣方面的故障,否則,屬于機(jī)械故障。3.6 滾動(dòng)軸承故障滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重要支撐部件,其基本結(jié)構(gòu)包括外圈、內(nèi)圈滾動(dòng)體、保持架等元件。對(duì)滾動(dòng)軸承實(shí)施振動(dòng)診斷的基本方法是頻率分析,因?yàn)闈L動(dòng)軸承每一個(gè)元件都有其各自的故障特征頻率。理論上,通過頻率分析不但能判斷軸承有無故障,而且可以具體判斷軸承中損壞的元件。滾動(dòng)軸承的故障特征頻率 (簡(jiǎn)化計(jì)算)為:內(nèi)圈通過頻率f = 0. 6z f r,外圈通過頻率 f = 0. 4z f r, 保持架通過頻率 f = 0. 4f r, 其中 z 為滾動(dòng)體個(gè)數(shù),

12、 f r為軸承內(nèi)圈回轉(zhuǎn)頻率。還需指出的是滾動(dòng)軸承的振動(dòng)與安裝也有關(guān),如安裝滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)軸系彎曲、軸承裝歪、軸承緊固過松或過緊都會(huì)引起振動(dòng),其振動(dòng)頻率成分也含有滾動(dòng)體通過頻率和高次諧波。3. 7齒輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特征及診斷齒輪是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要部件,其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響到整個(gè)機(jī)組的正常工作。在齒輪箱中的各類零件中,失效比例分別為齒輪60%、軸承19%、軸10%、箱體7%、緊固件3%、油封1% ,可見在所有零件中齒輪自身的失效比例最大。根據(jù)國(guó)外抽樣統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明,齒輪的各種損傷的概率為: 斷齒41%、面疲勞31%、面磨損10%，面劃痕齒齒10%、其它故障8%。在理想漸開線齒形及齒輪剛度無窮大的假設(shè)

13、下,一對(duì)齒輪在嚙合運(yùn)動(dòng)中是不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)的 ,但由于制造、安裝及齒輪剛度不可能為無窮大等方面的問題,一對(duì)新齒輪在嚙合運(yùn)動(dòng)中也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。通過對(duì)齒輪運(yùn)動(dòng)方程的分析可知,正常齒輪傳動(dòng)中由于嚙合剛度的周期性變化會(huì)引起參數(shù)振動(dòng);由于齒形誤差的隨機(jī)激勵(lì)可能會(huì)引起齒輪彈性系統(tǒng)的共振;當(dāng)齒輪出現(xiàn)故障時(shí),振動(dòng)往往會(huì)加劇,也會(huì)產(chǎn)生一些新的頻率成分,這些都是齒輪的特征頻率。齒輪特征頻率主要有3種,即齒輪嚙合頻率、齒輪自振頻率和齒輪邊頻帶。定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的嚙合頻率為 f = z f r ,行星輪系的嚙合頻率為 f = z( f r ) ,其中 z 為齒輪齒數(shù) r為齒輪旋轉(zhuǎn)頻率、fyffe為轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)頻率。直齒圓柱齒輪自振頻率

14、為f= ( k /m )/2 ,其中 k為齒輪副的彈簧常數(shù)、為m齒輪副的等效質(zhì)量, 其它類型齒輪的自振頻率一般由試驗(yàn)測(cè)定(不隨轉(zhuǎn)速改變而恒有的頻率分量通常就是系統(tǒng)的固有頻率,齒輪固有頻率一般為1 10khz)。當(dāng)齒輪存在故障時(shí),由于載荷波動(dòng)而產(chǎn)生幅值調(diào)制,由于轉(zhuǎn)速波動(dòng)而產(chǎn)生頻率調(diào)制,因此在嚙合頻率或固有頻率兩旁產(chǎn)生等間隙( 1x )的一簇邊頻。通過振動(dòng)診斷判別齒輪狀態(tài),最有效可行的方法是分析齒輪振動(dòng)功率譜的變化,其次是分析倒頻譜 (如果儀 器的信噪比高,倒頻譜分析效果也很好 )。首先看嚙合頻率幅值的消長(zhǎng); 二是要看嚙合頻率諧波的分布;三是看邊頻,隨著齒輪故障的發(fā)展和振動(dòng)能量的增加,邊頻越來越豐

15、富,幅值也增加(邊頻分析通常要先將譜細(xì)化)。4診斷實(shí)例分析對(duì)軋機(jī)進(jìn)行日常振動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)所需的工具主要有振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、配套軟件等,目前市面上已有此類成套的設(shè)備出售。我們選用的是北京圣迪公司的振通 904型振動(dòng)動(dòng)平衡一體化儀器。它的主要功能是檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行采集記錄和預(yù)處理,通過 rs232c標(biāo)準(zhǔn)串行口與微機(jī) ( p486以上) 通訊后可以將記錄在儀器中的各種數(shù)據(jù)送入微機(jī)中,借助儀器附帶的波形分析軟件可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域統(tǒng)計(jì)域等方面的分,做更精細(xì)的設(shè)備故障分析和診斷,建立設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫,預(yù)報(bào)設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)等。運(yùn)用該儀器可以對(duì)軋機(jī)日常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè) ,掌握軋機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、

16、發(fā)現(xiàn)和跟蹤軋機(jī)的早期故障、提出維修計(jì)劃、跟蹤維修質(zhì)量等。以廣鋼連軋廠12 軋機(jī)為例,利用基于振動(dòng)的設(shè)備故障診斷技術(shù)對(duì)其進(jìn)行一次全面的分析診斷。根據(jù)測(cè)點(diǎn)選擇原則,我們選取了3個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖6中zj12 - 1、zj12 - 2、zj12 - 3 ) 。2005年3月29日12軋機(jī)被診斷為發(fā)生了齒輪斷齒故障。當(dāng)天的點(diǎn)檢現(xiàn)象:軋機(jī)無異響、但振值和波形有故障跡象,尤其是 zj12 - 1 測(cè)點(diǎn)的信號(hào)特別明顯 。進(jìn)行的全面分析診斷如下 : ( 1 ) 振值表:在 6 個(gè)月里振值表內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)沒有明顯增大現(xiàn)象,表明振動(dòng)級(jí)數(shù)和能量在故障前后未有明顯變化,小部分?jǐn)帻X對(duì)振值表內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)不敏感,這也解釋了故障時(shí)設(shè)備無異

17、響的原因 。 ( 2 ) 時(shí)域波形:在時(shí)域波形中可明顯看到振動(dòng)含有劇烈周期沖擊 ,沖擊波形突然上升又突然衰減且極其陡峭 ,極有可能發(fā)生了突發(fā)性故障。經(jīng)計(jì)算沖擊周期為 65. 6m s,即頻率為 15. 244hz。當(dāng)天電機(jī)轉(zhuǎn)速為 914 r/m ,轉(zhuǎn)頻為 15. 244hz?？梢?,輸入軸(電機(jī)軸 ) 的轉(zhuǎn)頻與沖擊頻率驚人地吻合。由此可判斷沖擊故障就發(fā)生在輸入軸上 ,加上考慮沖擊特性可初步判定輸入軸的齒輪可能發(fā)生了斷齒。( 3 ) 自相關(guān)分析:在自相關(guān)圖上可看到圖形收斂性異常 ,在 t1 = 63. 7和 t2 = 128. 9處圖形趨于發(fā)散,可斷定在信號(hào)中存在 t = 65. 2 周期成分。

18、此周期與時(shí)域中的沖擊周期一致,故時(shí)域中判定的沖擊在相關(guān)域中得到了證實(shí)。( 4 ) 概率密度:在統(tǒng)計(jì)域中發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)峭度達(dá) 4. 013,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常范圍 ( 2 3 ) 。峭度指標(biāo)是一項(xiàng)反映波形尖峭程度和沖擊大小的無量綱指標(biāo),峭度超標(biāo)更證實(shí)了振動(dòng)信號(hào)中存在異常的沖擊能量。對(duì)正常的軋鋼過程而言,載荷波動(dòng)會(huì)引起峭度輕微超標(biāo),峭度達(dá) 4. 013最可能的就是發(fā)生了斷齒。( 5 ) 幅值譜分析 : 將 幅值譜 細(xì)化 后可 看到 在300hz和 440hz頻率兩旁存在邊頻帶, 1x = 16,邊頻帶是齒輪和軸承類沖擊故障信號(hào)經(jīng)頻率調(diào)制后的特有現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算沖擊頻率與輸入軸轉(zhuǎn)頻相等而與軸承的故障特征頻率不等,到此可更肯定地判定時(shí)域中發(fā)現(xiàn)的周期沖擊確實(shí)為齒輪故障所致。( 6 ) 倒頻譜分析 : 在倒頻譜圖中可看到 t =63. 5m s處的信號(hào)分量很大,此周期與時(shí)域中的沖擊周期也吻合得很好。倒譜是一個(gè)對(duì)測(cè)點(diǎn)、傳輸途徑和信號(hào)調(diào)制不敏感的量,對(duì)判定軸承和齒輪故障很有效。至此 ,可更肯定沖擊是由斷齒所引起,而不是軸承故障、轉(zhuǎn)子不平衡或不對(duì)中等所引起。( 7 ) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖( 8 ) 診斷結(jié)論及反饋:通過以上的分析可判定12 軋機(jī)在當(dāng)天有沖擊性的突發(fā)故,且沖擊異常強(qiáng)烈和尖銳,可排除軸承故障所引