卷取炉芯轴振动检测及故障处理

贾 昆，华 成，陈 超

（酒泉钢铁（集团）有限责任公司，甘肃 嘉峪关735100）

1 前 言

随着技术的发展，钢铁行业轧钢生产线设备集群化、连续化特点明显，设备的安全稳定运行成为企业连续生产得以实现的根本保证。从工业化大生产至今，设备维修大致经历了3 种方式：事后维修→预防维修→状态维修或预知维修。落后的设备维修方式造成设备“欠维修”和“过维修”情况严重。一方面浪费检修人力，影响设备检修周期制定的合理性（设备维修标准制定了检查周期），增加了设备维护成本并降低了生产线效率；另一方面不必要的拆开检查，影响了设备安装精度，降低了设备寿命，增加了备件投入［1-4］。

状态维修方式以设备的运转工况为依据，它的特征是利用先进的振动测试技术进行设备状态监测和故障诊断。作为炉卷轧机生产线关键设备的卷取炉，主要实现带钢在精轧机往复轧制过程中的卷取加热功能，该设备的故障直接影响整条生产线的正常生产。因此，对卷取炉核心部件（芯轴）进行预测性振动检测，并采取合理措施预想消除事故隐患，对保障生产线正常生产是很有必要的。

2 振动分析理论基础

对于机械设备的周期性振动，不论其振动波形有多复杂，都可以用傅立叶级数表示为许多频率成谐波关系的简谐振动组分。因此，在技术上可以通过傅里叶变换，找到故障对应的振动幅、频特征。通常，对振动信号分析包括时域分析和频域分析，如图1 所示。时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量大小。频域分析是采用傅立叶变换将时域信号变换为频域信号，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观，丰富的信息［5-7］。

图1 时域分析与频域分析的关系

3 卷取炉芯轴异常振动分析

利用在线状态监测系统，发现入口芯轴电机负荷侧轴承冲击脉冲值出现上升趋势，如图2 所示。该电机轴承为2020年8月初年修时更换，年修结束运行状态稳定。但从9 月15 日开始出现冲击脉冲值逐渐上升的趋势，9月18日—9月21日长时间停机后，运行状态继续劣化，冲击脉冲值均进一步上升，且部分检测值超出报警值。

图2 入口芯轴负荷侧轴承冲击脉冲值趋势图

通过检测记录的分析发现，入口芯轴电机非负荷侧及出口芯轴电机负荷侧在年修后运行状态一直处于稳定状态，但入口芯轴电机负荷侧存在异常问题。

为进一步确定异常问题原因，利用检修时间，对入口芯轴电机的运行状态进行了进一步检测。为排除负载对数据的影响，设定固定转速，在空载运行状态下进行了检测。

3.1 测点布置及参数计算

芯轴电机非负荷及负荷侧各布置2 个测点进行垂直、水平及轴向3 个方向的振动测量。其中，电机转速207 r/min，电机转频3.45 Hz，减速机减速比为4.875，卷筒转速42 r/min，卷筒转频0.7 Hz。

3.2 频谱分析

非负荷侧。垂直方向频谱图主要存在两个非同步频率，分别为54.38、245.63 Hz。根据计算的特征频率，经初步分析认为，54.38 Hz 频率为减速机齿轮啮合频率，245.63 Hz 为电机轴承外圈的7倍频；水平方向频谱图与垂直方向一样，主要存在两个非同步频率，分别为54.38、245.63 Hz；轴向频谱图主要存在108.75、245.63 Hz 的非同步频率，其中108.75 Hz 为减速机齿轮啮合频率（54.38 Hz）的2 倍频。

负荷侧。负荷侧频谱图与非负荷侧类似，各测量方向主要存在54.38、245.63 Hz两个非同步频率。

3.3 综合分析

由于芯轴减速机频谱图中均以54.38 Hz 的频率以及该频率的倍频成分为主，据此可知频谱分析中的该频率为齿轮的啮合频率。

芯轴电机各测点频谱图中以54.38、245.63 Hz两个频率成分为主。54.38 Hz 为减速机齿轮的啮合频率。而245.63 Hz 在减速机各测点均没有出现，应为电机上产生的频率成分。经计算分析认为，该频率应为轴承外圈的7 倍频，表明该电机轴承外圈已经出现初期劣化损伤情况，应继续检测跟踪，同时决定对该轴承润滑油取样进行油品检测。

3.4 油品检测分析

2020年9月对该轴承润滑油进行了取样，从取样油观察，该油存在片状黑色杂质。随即对取样油品送检进行光谱分析，结果如表1所示。

表1 轴承润滑油（美孚齿轮油600XP150）检验结果 mg/kg

镍（Ni）磷（P）铅（Pb）硅（Si）锡（Sn）钛（Ti）钒（V）锌（Zn）0.87 108.42 1.05 6.14 1.35 0.18 0 76.04 0.27 159.53 1.96 8.48 0.33 151.32 0 7.36 0.30 161.42 0.45 7.89 0 0 0 0 0.17 97.75 0.10 87.02 0 0 0 98.3

通过以上油品光谱检测结果对比分析，入口芯轴电机负荷侧润滑油中的Fe、Cr、K、Mg、Mn等元素明显高于其他部位油品中的含量。而现场使用的FAG轴承钢的材质一般是低合金、高纯净度的淬透铬钢材。Fe、Cr、K、Mg、Mn 等元素是该轴承钢的主要元素。从此次油品检测结果对比分析来看，入口芯轴电机负荷侧轴承已经出现轻微劣化损伤。

4 处理措施及结果跟踪

基于振动频谱及油品光谱分析，引起卷取炉入口芯轴振动异常增大问题的原因是轴承润滑油进水引起的。因此，利用定修的机会，彻底排空了轴承室的油和水，加入了新的润滑油，轴承冲击脉冲值整体呈下降趋势。如图3所示，通过10月1日—10月7日的在线监测结果，冲击脉冲值整体呈下降趋势，但与其他部位相比，仍处在不良运行状态。鉴于此跟踪结果，决定在10月8日定修中再次更换该轴承润滑油，并继续跟踪运行状态。

图3 换油后轴承冲击脉冲值趋势

通过10 月8 日定修后的在线监测结果（见图4）来看，冲击脉冲值呈现大幅下降趋势，目前监测结果已经与入、出口电机其余部位的监测结果基本一样。

图4 再次换油后轴承冲击脉冲值趋势

结合以上情况分析认为，入口芯轴电机负荷侧轴承冲击脉冲值异常上升的原因主要为润滑油中进水，导致轴承润滑不良，轴承外圈产生轻微劣化损伤所致。

5 结 语

通过两次连续换油，异常振动的设备故障隐患得到彻底解决，轴承运行状态稳定，后期加强监控，并将此故障处理案例纳入轴承异常振动故障库。此案例具有普遍性，类似钢铁公司可以借鉴此次异常情况，反思在年修过程中更换轴承项目的各项作业流程中有可能导致水进入轴承室的情况，制定好措施，防止此问题再次发生。