探讨卷取炉芯轴振动检测及故障处理

孙林雨

卷取炉芯轴是卷取炉的核心部件，受到多种因素影响，卷取炉芯轴在高负荷连续作业的状态下容易出现故障。现阶段最常见的卷取炉故障是由于卷取炉芯轴振动异常引起的。有学者已经发现润滑油进水会造成卷取炉芯轴电机负荷侧轴承冲击脉冲值异常上升，润滑油效果下降，连续的磨损造成轴承外圈出现轻微劣化损伤造成卷取炉芯轴振动，通过连续更换两次机油即可解决问题。

润滑油进水只是造成卷取炉芯轴振动异常的其中一种原因，由于卷取炉芯轴自身参数出现问题同样会造成振动异常。本次研究在已有结论的基础上对卷取炉芯轴进行全面检查，并未发现卷取炉芯轴存在润滑油进水的情况，由此排除因为卷取炉芯轴润滑效果下降造成的卷取炉芯轴振动异常。对此本次研究中选择使用振型叠加法对卷取炉芯轴数据进行计算，随后结合卷取炉芯轴的属性对其故障进行分析，最后在分析的基础上制定解决措施并结合实际案例进行分析。

1 振型叠加算法

卷取炉在生产过程中，由于生产环节的不同会导致卷取炉芯轴出现自由振动、强迫振动两种主要形式。因为卷取炉振动模态存在正交性，所以不同的模态之间不会出现能量交换，倘若卷取炉卷取炉芯轴出现某影响因素，卷取炉外界扰动和卷取炉芯轴扭振十分接近的固有频率会造成卷取炉芯轴扭振共振的现象发生，同时不会出现其他频率振动。

可以初步确定卷取炉在受到异常因素影响的情况下，50HZ工频内模态叠加造成卷取炉芯轴扭振，进一步对卷取炉芯轴50HZ工频内各模态振动状况进行监测，以此作为计算卷取炉芯轴扭振动态响应的基础。

在卷取炉的头、尾位置安装测速齿轮与角速度传感器，本次研究中使用脉冲时序法对测速齿轮得出的相对角位移进行计算，再借助带通滤波分解卷取炉扭角，结合不同固有频率下卷取炉芯轴振型对卷取炉芯轴振动情况进行计算。

2 卷取炉卷取炉芯轴振动故障分析

2.1 峭度准则

若卷取炉芯轴信号与正态分布极为接近时，峭度K=3；若过多的冲击因素存在于信号x当中，此时峭度k值会显著增加。卷取炉芯轴正常运转的情况下，轴振动信号幅值分布与正态分布相接近，此时峭度K=3。

卷取炉芯轴局部出现故障导致振动异常的情况下，此时异常振动信号显著偏离正常的正态分布，并且峭度k值越大证明振动信号当中存在的冲击因素越多，并且在卷取炉芯轴异常振动信号被包含于冲击成分多的幅值调制信号内部。

因为冲击因素导致卷取炉芯轴异常振动会导致卷取炉芯轴以及卷取炉其他部件出现频率不同的振动，故障导致卷取炉芯轴不同频段振动因素可通过本征模函数（IMF）看出，峭度最大的IMF表示其中存在的冲击因素最为显著，此时可以提取相应的故障信息。

2.2 芯轴故障模拟试验

当卷取炉芯轴受到冲击载荷影响的情况下，此时会对芯轴外圈、内圈造成不同程度的损伤，鉴于此选择在芯轴试验台进行芯轴内圈、外圈局部损伤模拟试验，检测完成后使用峭度准则提取芯轴异常振动的故障因素。

通过切割沟槽的方式模拟芯轴外圈、内圈因为异常振动造成的局部损伤，试验过程中选择的信号采样频率为12800HZ，在试验台电机恒定转速1400r/min的情况下，对芯轴故障特征频率进行计算。

2.3 芯轴内圈、外圈异常振动

当芯轴内部发生异常振动情况下，此时芯轴在旋转过程中每当路过故障位置均会因为冲击因素导致芯轴异常振动，进而导致卷取炉整体出现异常振动。因为芯轴内圈在旋转过程中，局部损伤部位会不断出现变化，进而导致故障位置承载大小会存在变化。

经过不断分析表明，芯轴损伤位置旋转到12点钟方向时承载力最小，相应的当芯轴损伤为止旋转到6点钟方向时承载力最大，进而引发的冲击振动幅值也最大，芯轴在不断旋转的过程中，其承载力会呈现“最大-最小-最大-最小”的周期性现象，这种周期性现象导致芯轴振动信号出现了将转速作为调节机制的幅值调制。

由此可见对于芯轴的内圈故障异常振动信号当中包含了芯轴部件高频固有振动信号、内圈故障特征频率信号、转频信号。

相应的芯轴外圈故障与内圈故障信号完全不同，这是因为芯轴外圈的故障点位置并不会随着旋转而发生变化，相应的承载力大小也不会发生变化，即便在故障状况下芯轴外圈的冲击振动幅度也几乎一致，鉴于此芯轴外圈故障信号只有高频固有振动信号与外圈故障特征频率信号调制。

3 处理方法

3.1 卷取炉芯轴异常分析

3.1.1 相位延迟

结合卷取炉头部或尾部模态扭角对振动异常截面扭矩、应力进行计算，相应的对于带通滤波器的相位存在较高的要求，相比数字滤波器，带通滤波器对于不同的中心频率所对应的延迟程度也有所不同。如果卷取炉芯轴出现两阶、多阶异常情况时，往往使用带通滤波器处理模态扭角会获得更大的相位误差，致使模态叠加法计算得到的应力缺少说服力。鉴于此次研究中使用零相位带通滤波器，因为零相位带通滤波器不会出现相位差与相位移，借助对轴系扭振扭矩和应力响应进行计算。

3.1.2 去除边界效应

通过零相位带通滤波处理后的正弦波形与原始波形的对比可知在进行滤波处理以后获得的波形在前1s内与原始波形对比存在显著偏差，1s后的波形符合预期效果。

卷取炉芯轴异常振动情况下疲劳寿命损耗会实时增加，为了最大限度上避免分析延迟，在分析过程中决定不使用持续状态下的扭角，改用随机扭角进行滤波分析，同时随机采集扭角的时间在异常振动开始后的3s～4s，同时明确实时带通滤波时间内芯轴疲劳寿命损耗，以此来最大限度上确保扭振监测分析、实时性。

带通滤波的边界失真在芯轴异常振动3s以后非常明显，因此将“移动窗口”的方式作为剔除失真区的有效方法。

“移动窗口”将一段固定时间作为数据提取窗口，每一次信息提取都需要携带上一次提取的信息数据，且需要确保长度与失真区长度一致。带通滤波完成后将因为边界失真效应对数据造成影响的部分剔除，其他部分为边界消除导致的带通滤波结果。

3.1.3 半频/倍频成分干扰处理

卷取炉芯轴第一阶扭振固有频率通常在10HZ～20HZ之间，二、三阶扭振固有频率通常超过20HZ。个别卷取炉第一阶固有频率通常为二、三阶扭振固有频率的1/2。

这种情况下半频、倍频关系两阶模态扭角在带通滤波过程中会相互干扰，进而造成芯轴扭应力计算出现误差。各阶模态扭角进行带通滤波以前，需要事先借助高通、低通滤波器过滤半频、倍频模态，以此来防止各阶固有频率出现干扰。

3.2 振动检测

设计一种卷取炉芯轴振动检测装置，使用XMC4400作为主控制器芯片，XMC4400控制器芯片是一种拥有32位Cortex-M4内核的高性能ARM芯片，XMC4400拥有硬DSP核与浮点计算能力，同时支持低速UART总线、高速的SPI总线，XMC4400的主频高达120MHz，足以支持卷取炉芯轴振动检测的多项技术指标要求。

本次设计的卷取炉芯轴振动检测装置的总体功能：

振动检测元件使用单轴模拟型加速度计，卷取炉芯轴实际运作过程中往往当检测到振动模拟信号以后再经过放大滤波处理，将信号扩大至A/D高精度转换。为了卷取炉芯轴振动检测装置具有更强的抗干扰能力，需要最大限度上避免振动检测装置受到这些干扰因素的影响，为了使测得信号不受共模干扰影响，振动检测装置在设计过程中可以将电路用单端信号转换为双端信号，同时在获得双端信号后可以选择将信号与可双端输入高精度A/D转换器相接，以此实现双端振动信号的模数转换，最终借助SPI协议接口将芯轴的振动信息数字量传输至主控制器XMC4500进行处理。

得到电力变压器振动信息后，为后续分析数据创造便利条件，还要经电力变压器振动检测装置的主控制器XMC4500对信号做一系列的处理，包括软件滤波、去噪等工作。以上工作完成后XMC4500即开始检测，随后显示处理结果出来，处理后的数据会存储到大容量存储器中，也可以经过无线模块实现检测结果与网络实时相接。此外振动检测装置配备了USB数据接口，在USB接口的作用下，电路可以实现将检测数据直接向电脑传送，进一步实现深入分析、处理。无线、有线均可以发送数据，数据会暂时存储在大容量存储器中并由规定功能键盘阵列实现。

3.3 故障解决措施

3.3.1 及时更芯轴材料

通常情况下卷取炉芯轴使用的高硬度钢制造，卷取炉高速运转时，伴随速度的增加热量也会逐渐的增加，芯轴材料容易发生形变进而导致振动产生，如果不能及时解决异常振动，最终会造成整个设备由于振动发生故障。

为进一步减少设备振动故障，可以使用合金材料代替钢材料，相比之下合金材料的硬度、密度、奈磨损度均比钢材料更强，可以有效降低振动故障发生。

3.3.2 及时清洗结疤

卷取炉芯轴在高速运转状态下难免会出现摩擦过热的现象，卷取炉芯轴出现结疤现象，其对应的转子平衡也会受到负面影响，振动故障也会愈演愈烈，导致卷取炉实际运作状态受到负面影响。鉴于卷取炉复杂的作业环境，可以选择使用高压雾化等一系列相关措施，形成微小水分子，微小水分子可以进入到芯轴当中进行适当降温，降低结疤概率。

3.3.3 波纹管换热器代替冷却管

使用波纹管换热器替代冷却管，可以确保空气、水量在卷取炉内部维持合适的比例，不仅可以降低结疤概率，还可以适当增加设备换热效果。对波纹管换热器进行合理使用，可以有效应对天气突换引发的一系列情况，此时如果芯轴温度不能够及时被降低机会造成卷取炉芯轴工作效率与工作面积受到负面影响。

使用波纹管换热器替代冷却管可以有效降低外界因素造成的一系列负面影响，设备自身膨胀造成振动故障的现象会被降低，有效延长了卷取炉芯轴的使用寿命。

3.3.4 提升工作人员专业能力水平

为了最大限度上降低了卷取炉芯轴故障，对专业技术工作人员的基本能力存在较高水品的要求，高水平专业团队可以支持卷取炉芯轴检修维护工作，最大限度上确保卷取炉芯轴日常工作的顺利运行。

在挑选卷取炉芯轴设备检修人员时候需要重点选取专业素质过硬、技术水平高的人员或者态度认真、有上进心的人。这是因为高水平检修人员往往掌握着高水平的专业知识技能，并且非常熟悉卷取炉，因此可以有效开展卷取炉芯轴故障检修工作，在发生故障时可以凭着丰富的专业实践经验，实现第一时间对设备故障起因进行判断，高效排除故障，最大限度上降低因为设备故障对卷取炉的损害，降低生产经济损失。企业自身也要培养专业高水平人员正确使用设备，同时开展设备定期检修，如果发现设备损坏、异常需要第一时间更换、维护，保证设备这个厂运行并提升效率。

3.4 平衡转子

卷取炉芯轴振动激励频率如果小于基本频率，此时就会发生对应的低频振动，常见表现形式为裂纹转子、气流激振、半速润动等。其中气流激振出现的频率最高，气流激振属于一种自激振动形式，通常情况下会力的作用都是突然发生的，此时卷取炉芯轴的运动力得到强化，同时突然出现的力会使得卷取炉芯轴运行风险增加。因此在解决卷取炉芯轴过程中需要重视气流激振问题。

对于卷取炉芯轴低频振动的主要解决措施是最大限度上保证转子的平衡，通过增加系统运行阻尼、降低气流激振力、减小转子气流激荡等方式解决问题。增大阻尼的方式为更换可倾瓦轴承，使得大叶顶间隙增加，轴向间隙缩小，小气流激振现象就会被有效控制。

导致转子不平衡的因素多种多样，因此需要结合转子不平衡的实际情况，采取针对性防治措施。转子几何形状中心偏离旋转几何体轴线导致的转子不平衡问题，此时采用动平衡方案对重心进行调整，或者选择对局部位置重量进行调整，进而实现中心平衡，振型曲线校正是一种常用方法。

卷取炉芯轴存在零部件、旋转轴衔接不紧密的情况，这种情况被归纳为零部件相互配合问题，此时可以选择零部件规格调整解决问题，如果存在内孔较大的情况，卷取炉芯轴高速旋转时会出现偏心。

4 结论

本次研究中对卷取炉芯轴异常振动及其故障进行分析。

（1）首先借助振型叠加算法最终计算芯轴的第j段出现异常情况是下相应的截面实时扭应力，且理想工频为50HZ的情况下。计算数据由安装在卷取炉头部、尾部位置的测速齿轮与角速度传感器，借助脉冲时序法获得相应的对角位移以及带通滤波分解的卷取炉扭角，最终借助胡克定律得出芯轴第j段异常截面实时扭应力。

（2）获得数据以后对开始结合数据借助峭度准则对卷取炉芯轴振动故障进行分析，芯轴振动正常情况下峭度K=3且轴振动信号幅值分布与正态分布相接近，如果因为异常因素导致过度的冲击因素出现在卷取炉芯轴振动信号当中，峭度将大于3，并且峭度增加幅度与信号存在的冲击因素量为正比。可借助本征模函数对卷取炉芯轴不同频段振动因素进行分析，本征模函数对应的最大峭度为最大值。

为了进一步明确卷取炉芯轴异常振动情况，使用芯轴故障模拟试验台对芯轴外圈、内圈造成不同程度的损伤进行分析，并通过峭度提取相应数值。试验表明卷取炉芯轴由于内圈、外圈故障性质不同，导致芯轴振动异常呈现“最大-最小-最大-最小”周期性变化。

（3）分析完成后明确处理方法并结合案例进行分析。对卷取炉芯轴振动异常数据借助扭矩刚度算式，对卷取炉头部或尾部模态扭角对振动异常截面扭矩、应力进行计算。从实际角度出发，最终本次研究中选择使用零相位带通滤波器确保不会出现相位差与相位移并得到相应的轴系扭振扭矩和应力响应；为了确保数据真实性，本次研究中使用随机采集的扭角数据进行滤波分析确保扭振监测分析、实时性。借助“移动窗口”提取特定时段内信息数据，并且将因为边界失真效应对数据造成影响的内容剔除；卷取炉芯轴第一阶扭振固有频率通常在10HZ～20HZ，此时下半频、倍频关系两阶模态扭角会通过带通滤波相互干扰，在对各阶模态扭角进行带通滤波以前，需要预先通过高通、低通滤波器过滤半频、倍频模态，避免对各阶固有频率造成干扰。