CN103769425A - 减定径机振动状态在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减定径机振动状态在线监测方法，即利用振动传感器获取减定径机复合齿轮箱和辊箱各轧辊轴承的振动信号，采用分类指标监测轴承各零部件、轴系对中、齿轮表面、齿轮拟合等状况，并设定相应的故障因子，从而判断减定径机运行状态的劣化趋势，避免因减定径机复合齿轮箱轴承和辊箱轴承零部件故障、联轴器安装及轴系对中不良、齿轮表面故障以及齿面啮合状态异常等导致的设备非计划停机，支撑高速线材生产线的正常生产。本方法可实时监测减定径机的运行状态，及时发现减定径机复合齿轮箱和输出辊箱的各类缺陷，避免了人工监测的缺陷及设备故障的扩大，保证了设备的正常运行。

Description

减定径机振动状态在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种减定径机振动状态在线监测方法。

背景技术

减定径机是高速线材的关键设备，用于对线材尺寸精度、表面质量、机械性能等的轧制处理，提高高速线材轧机生产作业率并满足用户对线材的要求，其具有水箱自动控制冷却、变速范围大、低温轧制以及系统集成化程度高等特点。一般减定径机由一台交流电机驱动，通过联轴器连接若干变速箱，得到多个档位供轧制工艺选择不同的速比。减定径机变速箱为双层复合齿轮箱，四轴输出至辊箱，具有机械结构复杂、工作转速高的特点，这对设备运行和维护都存在着极大困难。通常设备维护方式依靠人工测量和观察的方法进行点检和故障判断，往往不能及时发现设备隐患，以致于设备故障扩大，极易造成恶性设备事故。因此，建立减定径机的振动状态在线监测方法具有重要意义。    

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种减定径机振动状态在线监测方法，利用本方法可实时监测减定径机的运行状态，及时发现减定径机复合齿轮箱和输出辊箱的各类缺陷，避免了人工监测的缺陷及设备故障的扩大，保证了设备的正常运行。

为解决上述技术问题，本发明减定径机振动状态在线监测方法包括如下步骤：

步骤一、在减定径机的复合齿轮箱、辊箱各轧辊的各轴承座上设置用于输出振动信号的振动传感器，采集振动传感器的输出信号Y_i并对该原始输出信号Y_i作频谱分析，提取减定径机的特征信号；

步骤二、轴承故障表现在不寻常振动级值有冲击，轴承各零部件的振动特征频率与轴承参数的关系为：

轴承外环振动频谱                                               

　　                　(1)

轴承内环振动频谱

                      (2)

轴承滚动体振动频谱             (3)

轴承保持架振动频谱

    (4) 

式中：n为滚动体数、

为内外环相对转速频率、d为滚动体直径、D为节圆直径、α为滚动体与轨道面的接触角；

步骤三、设定轴承故障因子，轴承内环故障因子B₁、轴承外环故障因子B₂、轴承滚动体故障因子B₃、轴承保持架故障因子B₄ ，则轴承各部件故障因子与振动频谱间的关系为：

    

                      　(5)

                      (6)

                       (7)

                       (8)

式中A_fi、U_fi分别为轴承内环振动频谱f_i处的振动幅值和f_i在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fo、U_f0分别为轴承外环振动频谱f_o处的振动幅值和f_o在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fp、U_fp为轴承滚动体振动频谱f_p处的振动幅值和f_p在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fh、U_fh为轴承保持架振动频谱f_h处的振动幅值和f_h在正负20%范围内振动值的加权平均；

步骤四、设定轴承内环、轴承外环、轴承滚动体和轴承保持架故障因子的报警值分别为B_s1 、B_s2 、B_s3 和B_s4，监测轴承故障因子B₁、B₂、B₃和B₄，当B₁、B₂、B₃和B₄分别大于B_s1 、B_s2 、B_s3 和B_s4时，在线监测系统预报轴承异常；

步骤五、对于经步骤一采集的复合齿轮箱和辊箱输入轴、输出轴轴承座的振动传感器原始输出信号Y_i，对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1倍频转动频率、2倍频转动频率、3倍频转动频率和4倍频转动频率处的振动幅值分量X_i(t)，i取1、2、3和4，则该测点的总振动值为：

                          (9)

分别监测X₂(t)和X₄(t)与

的比值，当该比值大于20%时，在线监测系统预报联轴器所在轴系对中状态不良；

步骤六、对于经步骤一采集的复合齿轮箱和辊箱各对齿轮轴承座的振动传感器原始输出信号Y_i，对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1倍频转动频率，则传动系统齿轮的啮合频率GMF为轴的1倍频转动频率与该轴上齿轮齿数Z的乘积，

 监测传动系统齿轮的啮合状态选择频率范围为：1×GMF ～ 3.25×GMF，

其中1×GMF表示齿轮的啮和频率，3.25×GMF表示齿轮啮合频率的3.25倍； 

对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1×GMF、2×GMF、3×GMF频率处的振动幅值分量M(i)， W（i)分别为振动频谱在i×GMF处的正负5%范围内振动值的加权平均值，i取1、2、和3，

则齿轮表面良好程度系数为：

                          (10)

当H（i）比值小于80%时，在线监测系统预报齿轮表面异常；

分别监测W＝W(1)＋W(2)＋W(3)与

的比值，当该比值大于30%时，在线监测系统预报齿面啮合异常。    

由于本发明减定径机振动状态在线监测方法采用了上述技术方案，即利用振动传感器获取减定径机复合齿轮箱和辊箱各轧辊轴承的振动信号，采用分类指标监测轴承各零部件、轴系对中、齿轮表面、齿轮拟合等状况，并设定相应的故障因子，从而判断减定径机运行状态的劣化趋势，避免因减定径机复合齿轮箱轴承和辊箱轴承零部件故障、联轴器安装及轴系对中不良、齿轮表面故障以及齿面啮合状态异常等导致的设备非计划停机，支撑高速线材生产线的正常生产。本方法可实时监测减定径机的运行状态，及时发现减定径机复合齿轮箱和输出辊箱的各类缺陷，避免了人工监测的缺陷及设备故障的扩大，保证了设备的正常运行。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明减定径机振动状态在线监测方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本减定径机振动状态在线监测方法包括如下步骤：

步骤一、在减定径机的复合齿轮箱、辊箱各轧辊的各轴承座上设置用于输出振动信号的振动传感器，采集振动传感器的输出信号Yi并对该原始输出信号Yi作频谱分析，提取减定径机的特征信号；

步骤二、轴承故障表现在不寻常振动级值有冲击，轴承各零部件的振动特征频率与轴承参数的关系为：

轴承外环振动频谱

　　                　(1)

轴承内环振动频谱

                      (2)

轴承滚动体振动频谱             (3)

轴承保持架振动频谱

    (4) 

式中：n为滚动体数、

为内外环相对转速频率、d为滚动体直径、D为节圆直径、α为滚动体与轨道面的接触角；

步骤三、设定轴承故障因子，轴承内环故障因子B₁、轴承外环故障因子B₂、轴承滚动体故障因子B₃、轴承保持架故障因子B₄ ，则轴承各部件故障因子与振动频谱间的关系为：

    

                      　(5)

                      (6)

                       (7)

                       (8)

式中A_fi、U_fi分别为轴承内环振动频谱f_i处的振动幅值和f_i在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fo、U_f0分别为轴承外环振动频谱f_o处的振动幅值和f_o在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fp、U_fp为轴承滚动体振动频谱f_p处的振动幅值和f_p在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fh、U_fh为轴承保持架振动频谱f_h处的振动幅值和f_h在正负20%范围内振动值的加权平均；

步骤四、设定轴承内环、轴承外环、轴承滚动体和轴承保持架故障因子的报警值分别为B_s1 、B_s2 、B_s3 和B_s4，监测轴承故障因子B₁、B₂、B₃和B₄，当B₁、B₂、B₃和B₄分别大于B_s1 、B_s2 、B_s3 和B_s4时，在线监测系统预报轴承异常；

步骤五、对于经步骤一采集的复合齿轮箱和辊箱输入轴、输出轴轴承座的振动传感器原始输出信号Y_i，对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1倍频转动频率、2倍频转动频率、3倍频转动频率和4倍频转动频率处的振动幅值分量Xi(t)，i取1、2、3和4，则该测点的总振动值为：

                          (9)

总振动值不同于在特定频率下的振动，它是不考虑任何频率的所有振动的总和；

分别监测X2(t)和X4(t)与

的比值，当该比值大于20%时，在线监测系统预报联轴器所在轴系对中状态不良；X2(t)和X4(t)与

的比值体现了联轴器所在轴系不对中的指标；

步骤六、对于经步骤一采集的复合齿轮箱和辊箱各对齿轮轴承座的振动传感器原始输出信号Y_i，对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1倍频转动频率，则传动系统齿轮的啮合频率GMF为轴的1倍频转动频率与该轴上齿轮齿数Z的乘积，

 监测传动系统齿轮的啮合状态选择频率范围为：1×GMF ～ 3.25×GMF，

其中1×GMF表示齿轮的啮和频率，3.25×GMF表示齿轮啮合频率的3.25倍；

 通常频带报警是将整个频率范围分为几个有意义的频带进行监测和跟踪，实际上是对频谱的简化，将数百个数据简化成几个数据，并每个频带数据设置报警值，当报警产生时便能判断设备状态异常的性质。选取齿轮啮合频率（1×GMF、2×GMF、3×GMF）附近的频带作为监测对象，将特征频率处的振动峰值与选定频带内的振动加权值进行运算，用于监测齿轮表面状态。

对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1×GMF、2×GMF、3×GMF频率处的振动幅值分量M(i)， W（i)分别为振动频谱在i×GMF处的正负5%范围内振动值的加权平均值，i取1、2、和3，

则齿轮表面良好程度系数为：

                          (10)

当H（i）比值小于80%时，在线监测系统预报齿轮表面异常；

分别监测W＝W(1)＋W(2)＋W(3)与

的比值，当该比值大于30%时，在线监测系统预报齿面啮合异常。W与

的比值体现了齿面啮合的状态系数。

本方法提出了减定径机振动运行状态的在线监测解决方案，采用振动加速度传感器实现减定径机振动的信号采集，通过信号重构获得减定径机振动状态的特征参数，实现减定径机状态的在线监测；同时利用分类指标技术把握减定径机复合齿轮箱和辊箱本体运行状态劣化趋势，当分类指标异常时，在线系统提供报警信息，指导操作和设备管理人员采取应对措施。

本方法应用于减定径机振动状态在线监测后，某厂减定径机复合齿轮箱输出轴的输出侧轴承振动值有所增加，之后出现报警，并且振动冲击能量值增加迅速，经本方法判断认为此点轴承存在缺陷，将轧制速度逐渐从108m/s降速到105m/s，最终至100m/s，避免了故障的进一步扩大。在复合齿轮箱解体后发现轴承内外环包括滚动体均有剥落，保持架发生多处断裂，轴承内外环承受轴向力的对角方向有疲劳剥落，轴承内环上有近1/2周长的剥落，从而对设备检修起到了指导作用。

Claims (1)

1.一种减定径机振动状态在线监测方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、在减定径机的复合齿轮箱、辊箱各轧辊的各轴承座上设置用于输出振动信号的振动传感器，采集振动传感器的输出信号Y_i并对该原始输出信号Y_i作频谱分析，提取减定径机的特征信号；

步骤二、轴承故障表现在不寻常振动级值有冲击，轴承各零部件的振动特征频率与轴承参数的关系为：

轴承外环振动频谱                                               

　　                　(1)

轴承内环振动频谱

                      (2)

轴承滚动体振动频谱

             (3)

轴承保持架振动频谱

    (4) 

式中：n为滚动体数、

为内外环相对转速频率、d为滚动体直径、D为节圆直径、α为滚动体与轨道面的接触角；

步骤三、设定轴承故障因子，轴承内环故障因子B₁、轴承外环故障因子B₂、轴承滚动体故障因子B₃、轴承保持架故障因子B₄ ，则轴承各部件故障因子与振动频谱间的关系为：

    

                      　(5)

                      (6)

                       (7)

                       (8)

式中A_fi、U_fi分别为轴承内环振动频谱f_i处的振动幅值和f_i在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fo、U_f0分别为轴承外环振动频谱f_o处的振动幅值和f_o在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fp、U_fp为轴承滚动体振动频谱f_p处的振动幅值和f_p在正负20%范围内振动值的加权平均，A_fh、U_fh为轴承保持架振动频谱f_h处的振动幅值和f_h在正负20%范围内振动值的加权平均；

步骤四、设定轴承内环、轴承外环、轴承滚动体和轴承保持架故障因子的报警值分别为B_s1 、B_s2 、B_s3 和B_s4，监测轴承故障因子B₁、B₂、B₃和B₄，当B₁、B₂、B₃和B₄分别大于B_s1 、B_s2 、B_s3 和B_s4时，在线监测系统预报轴承异常；

步骤五、对于经步骤一采集的复合齿轮箱和辊箱输入轴、输出轴轴承座的振动传感器原始输出信号Y_i，对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1倍频转动频率、2倍频转动频率、3倍频转动频率和4倍频转动频率处的振动幅值分量X_i(t)，i取1、2、3和4，则该测点的总振动值为：

                          (9) 

分别监测X₂(t)和X₄(t)与

的比值，当该比值大于20%时，在线监测系统预报联轴器所在轴系对中状态不良；

步骤六、对于经步骤一采集的复合齿轮箱和辊箱各对齿轮轴承座的振动传感器原始输出信号Y_i，对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1倍频转动频率，则传动系统齿轮的啮合频率GMF为轴的1倍频转动频率与该轴上齿轮齿数Z的乘积，

监测传动系统齿轮的啮合状态选择频率范围为：1×GMF ～ 3.25×GMF，

其中1×GMF表示齿轮的啮和频率，3.25×GMF表示齿轮啮合频率的3.25倍； 

对该输出信号Y_i经振动频谱分析快速傅里叶变换分别取得对应轴系的1×GMF、2×GMF、3×GMF频率处的振动幅值分量M(i)， W（i)分别为振动频谱在i×GMF处的正负5%范围内振动值的加权平均值，i取1、2、和3，

则齿轮表面良好程度系数为：

                          (10)

当H（i）比值小于80%时，在线监测系统预报齿轮表面异常；

分别监测W＝W(1)＋W(2)＋W(3)与

的比值，当该比值大于30%时，在线监测系统预报齿面啮合异常。

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