轧钢机械振动故障的分析及诊断

黄忠念

（南京玛格耐特智能科技有限公司，江苏南京 210035）

1 轧钢机械设备的振动故障分类和原因分析

轧钢机械设备的振动故障类型和原因均较多，根据振动故障类型和原因，可以分为以下4 种常见的类型：

1.1 转子异常振动

转子异常振动主要包括装配质量不过关和转轴弯曲。在轧钢机械设备中如果没有合理装配转子，会发生转子异常振动，造成设备负荷情况和设备工作温度特别是轴承温度无法保持稳定，最终出现转子异常振动进一步加剧的现象，严重的甚至会诱发连接松动和脱落等问题，转子松动会进一步影响转轴的稳定性，严重的还会损伤转子和轴承，当转子发生损伤后，频率难以维持稳定，进而导致设备损坏。转子装配质量不过关容易发生在每次大修后的试运转阶段。转轴弯曲也会造成转子异常振动。轧机的各级转轴的受力较大，冲击载荷也很大，容易过载造成弯曲，转轴弯曲后也会造成转子异常振动。转轴弯曲容易发生在停机待用期间。

1.2 电气故障引起的电机振动

电机各相电流严重不平衡、转子条松动和定子线圈松动等电气原因都可能引起电机的振动。电气故障除了引起电机振动，一般还伴随着电机发热增大和工作温度升高，进一步恶化电气故障，引起更严重的电气事故甚至造成电机烧坏。

1.3 齿轮机械振动

作为重型工业设备，轧钢机械设备在运行中需要承受较大的压力，齿轮的受力较大且载荷冲击严重，久而久之发生齿面磨损、齿面点蚀甚至断齿的情况。上述问题会造成机械设备振动异常，进而影响齿轮的使用寿命和使用效果，最终对轧钢机械设备整体运行产生不良影响。

1.4 滚动轴承振动

在轧钢机械设备中，滚动轴承也是构成设备的主要部件，滚动轴承振动现象主要是由于过大的冲击载荷造成轴承的局部冲击点蚀和轴承游隙加大造成的，最终导致出现振动异常问题。

2 振动异常判断标准

在实践中，按照相对判断、类比判断和定量判断3 类标准和指标判断轧钢机械振动故障。通过这3 种方法能够在实际操作中高效地判断机械设备的运行状态和突变等情况。

相对判断主要采用时间轴作为判断的基础和参照。一般以集中控制系统在线监测的振动值的变化趋势为基础，结合振动值升高的速度和突变速度进行诊断。相对判断可以用来判断齿轮磨损和轴承磨损等不断积累的故障，适合对保养过程的故障趋势进行预测和提前预防。

类比判断主要采用相同或相似的振动值和振动频谱为基础来进行对比分析。一般以测振仪测出的振动位移、振动速度、振动加速度和振动频谱作为依据，对比振动值的大小和频谱成分。类比判断适合进行设备制造质量优劣判断和运行过程造成的故障部位进行精确定位。

定量判断主要采用测定的设备振动值和频谱自身的量进行分析。一般与振动标准推荐值进行对比。定量判断适合判断齿轮断裂、轴断裂和轴弯曲等突发故障。

此外，还可以借助自动化诊断系统，积极应用先进的信息技术，实现故障的快速定位。工作人员在实际工作中需要在复杂的运行环境中客观科学地判断、查找故障位置，结合实际情况，多种判断方法进行综合，判断轧钢机械设备的振动故障位置。在此基础上，工作人员要在严格的评判标准指导下对轧钢机械设备振动故障展开判断分析，量化判断故障问题。

3 轧钢机械振动故障诊断方法

3.1 定量分析法

很多设备仅从振动值本身难以判断振动原因和振动部位，只能判断振动是否异常。实际中，定量分析法往往和分步测量法一起使用进行判断。分步测量法即对电机、减速机和轧机共同连接的设备，依次脱开轧机、减速机和电机连接的联轴器，分别三机同时转动和两机转动。

表1 所示为某套轧机的定量分析测试数据。通过振动对比可发现，电机与减速机双机联机时振动正常，电机、减速机和轧机三机联机运行时所有设备振动均大幅增大，说明振动由轧机的工作异常造成。

表1 轧机定量分析振动数据

3.2 趋势图法

趋势图法是以在线监测的振动数据或定期测量的振动值为基础，以时间为横坐标，以振动值为纵坐标，画出一台或若干台轧机的振动的变化趋势图或取出监控系统自动生成的趋势图，进行振动诊断的方法。图1 是某钢铁企业3 台不同轧机2019 年4 月1 日至2020 年9 月1 日的振动速度趋势图，从振动速度趋势图可发现，轧机1 在整个测定周期一直在使用，前6 个月时间振动速度基本稳定，从第6 个月到第12 个月之间振动缓慢升高，第12 个月升高至5.6 mm/s 左右之后升高速度放缓。据此判断该轧机应为轴承或齿轮磨损。轧机2 前13 个月振动速度基本稳定，第14 个月振动突然跃升至2.6 mm/s，在第16 个月再次跃升至9.3 mm/s，遂停机检修，发现其中两个传动齿轮齿根已经断裂，在啮合方向已经变形分别达3.2 mm 和1.5 mm。结合上述情况可以判断，两次振动速度的跃升为两个齿轮的断裂所引起，更换齿轮后，振动速度与原设备基本相近。轧机3 前4 个月振动保持在2.6 mm/s 左右基本不变，第5 和第7 个月停机2个月，开机后振动升至4.3 mm/s，随后几个月振动速度略有下降，最终维持在4.1 mm/s，据此判断轧机3 的振动原因极大可能是停机期间轴系单侧受力造成轴弯曲造成的。

图1 轧机振动速度趋势

3.3 频谱分析法

频谱分析法是将复杂的振动解析为不同频率对应的振动的分析方法。很多设备仅看振动值很难判断故障的具体部位。由于在同一转速条件下不同的部位转速和基准频率不同，因此频谱分析法可以定位到具体的部位和机构。图2 为某轧机振动速度频谱，从频谱图可发现，轧机的电机的振动，从振动频谱上可以发现，除了有电机的自身旋转频率之外，还有减速机两级齿轮的旋转频率，且减速机两级齿轮的旋转频率对振动速度总值的贡献高于自身旋转频率。说明电机振动高的原因是减速机的振动传递。

图2 某轧机电机振动速度频谱

除了上述常用的振动诊断方法外，还有轴心轨迹法和包络分析法等振动诊断方法，分别对动平衡和轴承故障有一定的参考意义。

4 设备振动的管理和维护

4.1 控制好设备的零件及安装精度

在设计加工机械设备过程中应当尊重实际需求，做好每个零部件的设计和加工，然后在具体施工中坚持以图纸内容为依据进行加工。当所有加工工作结束后可以装配轧钢机械设备，对各个环节的精密度加强控制，保证精确地安装好各个零部件，避免发生安装失误、顺序错乱等问题，保证装配精度和装配质量。

4.2 对设备中的重要零件状态实时监测

可以利用传感器等监测重要轧钢机械设备的振动情况，比如在设备终端执行件、减速机和轴承安装位置等各处安装监测设备，保证第一时间发现设备的振动异常情况并且及时采取处理措施，避免产生严重的后果。在安装好监测设备后可以对正常运行和停机状态下的振动情况实时监测，由传感器将测量的实际数据传输到集中控制系统，若出现异常振动由控制软件给工作人员提示，让工作人员根据监测到的数据对具体振动情况进行判断，实现振动源高效快速、准确地定位，采取有效的控制振动的措施。

4.3 做好定期维护工作

在实际生产过程中需要定期维护和跟踪轧钢机械设备的运行状态，这和定期维护修理有着异曲同工之处，主要是优化升级轧钢机械设备，保证机械设备运行状态始终维持在良好状态。通过定期维护轧钢机械设备可以及时发现设备运行中存在的问题并且快速采取解决办法，同时定期维护能够达到预防设备发生故障的效果，提升机械设备运行可靠性和稳定性，将发生问题的概率大大降低。合理的开展定期养护能够延长设备使用寿命，实现设备运行优化。

相关维护人员和管理人员在实际开展轧钢机械设备维护管理工作时，需要定期维护，将周期性维护的方案落到实处，同时灵活调整维护方案，根据实际操作情况做好设备常规检测。如果设备运行中出现了意外情况，可以临时指定维护方案处理未预见的问题。同时工作人员要注意密切关注和维护容易发生故障的设备部位，保证能够实时准确地获取设备的信息。对于高精密度的设备，维护人员要对多方面的影响因素加强考虑分析，尤其是温湿度这些难以控制的因素，避免温湿度对设备运行产生不利影响。在维护轧钢机械设备过程中需要合理地控制周围的环境，然后根据设备实际运行状态、坚持加工质量为前提维护设备各个部件。同时维修人员还要不定期地开展轧钢机械设备的巡视维护，对设备运行状态加强关注，做好维修方法和计划的制定，加强维修结果的综合分析。

5 结语

在轧钢生产过程当中，要对轧机的振动引起高度关注和重视，要客观、全面的分析其振动原因，做出准确的振动故障判断，并采取针对性的处理措施，以提高轧钢机械运行的稳定性，确保轧钢生产的质量、效率和安全性。