崔沛
河钢邯钢邯宝热轧厂 河北 邯郸 056001
摘要：随着科学技术的发展，生产对设备的要求也在逐步提高，运用在线监测系统对热连轧生产关键设备始终进行监控状态，设备一旦出现故障前兆，就能及时发出报警，并尽可能多的采集故障信息，方便现场人员对个故障现象做出分析，以最快的方式找到故障的根本原因，从而保障生产的稳定。并且通过大量的数据存储，历史信息的分析和报警库的数据，可以逐步进行学习，自行判断故障，极大的满足当今生产的需要。
关键词：振动；在线监测；热连轧；数据分析
本文主要介绍关于在线监测系统在热连轧大型关键设备中的数据分析。
1 热连轧中的大型关键设备
在传统钢材轧制的生产工艺流程图中，板坯从加热炉加热到轧制温度，经过一次除磷进入定宽机、粗轧机，后经过终轧除磷进入精轧机，层流冷却系统，最终进入卷曲机完成全部轧制过程。随着板坯从加热炉离开，板坯温度下降速度极快，粗轧，精轧以及卷曲成型的速度也是逐步变快的。往往速度的提升导致传动设备的损坏率也在提高，并且传动速度越快的设备，损坏起来造成的后果也是更大的。为了确保大型设备的运转稳定，不会因大型设备突发事故造成长时间停机的风险，将在线监测设备安装在大型设备的电机、减速机和齿轮基座上。
2 动态信号的采集和处理
动态信号都包括什么，振动、噪声、油液质量、压力、电流、温度等等，其中最具有普世性的就是振动，通过振动我们进而判断上述设备的状态是好是坏。但上面所提到的手段我们都不能轻易放下，作为辅助手段来帮助我们更全面的了解设备状态。
信号的采集是通过触点的探针，将点信号处理为模拟信号，再通过傅里叶变换，将检测出来的信号表现成为一条条相对简单的简谐振动曲线，再将其按照频谱顺序排列，得到可以进行分析的频谱相图。
之后再通过一些算法，将得到的数据进行优化处理，对已得到的数据进行归类，得到报警范围。在不断的数据积累过程后得到相对设备来说最好的频率幅值范围，为之后发现设备隐患留下对比素材。
如今我们接触的分析振动软件中，所包含的监测分为速度和包络两大类。
简单来说，速度曲线可以观测到常见的故障，包络则是观测冲击类的高频故障。
设备的运转情况，来决定选择最大频率和线数来观测它们的故障频率区间。也就是根据设备常见的故障频率的位置，来选择最大频率（截断频率）。
3 故障诊断
在热连轧的关键设备中，轴承与齿轮故障较为常见，下面就滚动轴承与齿轮常见故障进行举例分析。
滚动轴承的诊断
滚动轴承的结构：内圈，外圈，保持架，滚动体（滚珠，滚针，滚柱等）
轴承失效的四个阶段
第一阶段（超声频率）
轴承问题的最早期表现在超声频率的异常，从250kHz到350kHz范围。
此后随故障的发展，异常频率逐步下移到20kHz到60kHz范围，可由冲击包络监测到，一般可以达到0.5Ge,实际值与测点位置、轴承型号和机器转速相关。
第二阶段（轴承固有频率）
轴承产生轻微残缺，激起轴承部件固有频率（fn）振动或轴承支承结构共振，一般在500Hz到2kHz范围。
在第二阶段末期，固有频率周围开始出现边频带。
冲击包络值有所上升，比如从0.5gE上升到1gE。
第三阶段（轴承缺陷频率及其倍频）
在第三阶段，轴承缺陷频率和倍频出现。
随着轴承内磨损的发展，更多的缺陷频率倍频开始，围绕这些倍频以及轴承不加固有频率的边频带的数量也逐步上升，冲击包络值继续上升。
此时轴承磨损情况肉眼可见，并向周围扩散，尤其当轴承缺陷频率周围出现许多边频带清晰明确的时候，应在此时更换轴承。
此时不必在关心缺陷频率的峰值，周边的底部频率也会开始上升。
第四阶段（随机宽带振动）
在第四阶段，轴承失效接近尾声，甚至工频1X也受到影响而上升，并产生许多工频信号的倍频。
原先离散的轴承缺陷频率和固有频率开始“消失”，取而代之的是随机的宽带高频“噪声振动”。高频噪声振动和包络值有所下降，但就在轴承最终失效前，包络冲击会大幅上升。
在这里，简单的讲解下包络的含义
包络就是将共振频率归零进行位移，是将高频共振的频率进行解调，移动到低频位置供我们观测的一种方式。它的整体处理过程是，第一，将高频与低频信号过滤（滤波），只留下共振频率可能出现的频带，第二，将共振频率进行解调也就是所谓的包络，第三，使用低通滤波将包络的信号移动到低频位置供我们观测。
常见的轴承缺陷包络图谱：BSF是滚动体自转频率，而缺陷一般在2BSF上。
齿轮故障分析
诊断故障
齿轮磨损；齿轮负荷过大；齿轮偏心；齿轮不对中；齿轮断裂；齿隙游移故障（现场没有此类就不再讲解了）
其中我们较为关心的是，齿轮磨损和齿轮断裂。
在设备中，故障率分别是：齿轮60%，轴承19%，其他21%。其中齿轮箱中轴承保持架断裂是较难监控发现的。
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齿轮振动的正常频谱特点
*可以看到齿轮的转速频率
*可以看到齿轮啮合频率以及它很小的倍频，并伴有很小的转速边频带。（边频的多少和转速有关）
在图中是没有齿轮的固有频率的振动频谱峰值的。
最大频率一般推荐是至少3.25倍的GMF。
如果没有齿数，那么推荐为200倍的转频。
齿轮磨损
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齿轮磨损的较好指示不是齿轮啮合频率，而是齿轮的固有频率。
齿轮磨损严重时，不仅齿轮啮合频率周围会出现边频带，还会出现齿轮固有频率振动。
与齿轮内和频率振幅相比，边频带幅值的大小更能反映出磨损的严重程度。
边频带组数越多，磨损越严重。
如果参与啮合的多个齿轮有问题，则在一个啮合频率周围会出现多个边频带。
齿轮负荷过重
齿轮啮合频率对齿轮负荷非常敏感。
不同时间测得的齿轮啮合频率的幅值改变并非意味着齿轮的故障。（没有固有频率的出现，边频带幅值依然较小时都不能进行判断）
最好在齿轮满负荷状态下测量振动。
齿轮偏心
齿轮偏心会引起齿轮固有频率振动和齿轮啮合频率的振动同时在这两个频率周围产生一些边频带，边频带的间距为1X RPM。
齿轮不对中
齿轮不对中一般总能产生齿轮啮合频率的高次谐波。（会产生2GMF,3GMF等情况）
通常情况啮合频率的一倍转频幅值较低，而啮合频率的两倍和三倍频率较高。
齿轮不对中时，齿轮啮合频率周围的边频带的间距为2X RPM，甚至3X RPM。
齿轮齿断裂
齿轮齿断裂时，会在该齿轮转速的1X RPM和齿轮固有频率出产生较高的振动，并在齿轮固有频率两侧产生间距为该齿轮转速的边频带。
齿轮吃面有大块的剥落时也会产生相同的振动特征。
在很多情况下，在齿轮断裂时几乎不产生1X RPM振动，但会在时域波形上产生尖峰。
最后还有一种齿轮副的情况，一般在设计中会避免两齿轮的齿数存在除1以外的最小整数倍。但在生产过程中，为满足转速比，会生产出这样的齿轮，这些齿轮就会出现齿轮副的相问题。
参考文献
[1]《SKF可靠性维护状态检测分析师》