1、学号1006060113XINGTAIPOLYTECHNICCOLLEGE毕业论文GRADUATEDESIGN论文题目高速线材精轧机常见故障分析与故障诊断方法研究学生姓名专业班级材料成型与控制技术院系资源与环境工程系指导教师2013年2月15日邢台职业技术学院毕业论）目录目录摘要2ABSTRACT3引言41高速线材轧机的发展511线材轧机的发展与高速线材轧机的诞生512高速线材轧机的发展概况5121高速线材轧机机型5122高速线材轧机的发展与成熟6123高速线材精轧轧机的典型结构62高速线材精轧机的故障机理和故障特征821精轧机轴承的故障机理和故障特征8211滚动轴承常见故障形式8212滚动轴
2、承的震动信号特征1022精轧机齿轮的故障机理和故障特征10221齿轮常见的故障形式10222齿轮的震动信号号特征113高速线材精轧机故障诊断方法研究1331精轧机振动信号的时域波形分析1332精轧机振动信号的幅值域分析14结论15致谢16参考文献17邢台职业技术学院毕业论文摘要2摘要精轧机组是线材厂的关键设备，对精轧机组进行在线监测，可以提前预知设备的工作状态以及故障的发展趋势，对保证企业的安全生产有重大意义。锥齿轮箱是精轧机的重要零部件，因此研究锥齿轮箱的诊断技术对于降低设备维修费用，提高产品质量和市场竞争力具有重要的工程应用价值。论文针对高速线材精轧机故障开展研究，利用便携式仪器，对关键设
3、备进行点检，按照一定周期采集设备的振动数据进行统计并分析。以曲线形式反映在系统工作站，成功捕捉到精轧机的各种故障，避免了恶性事故的发生，取得了显著的经济效益。关键词高速线材轧机；齿轮箱；在线监测；故障研究邢台职业技术学院毕业论文摘要3ABSTRACTTHEFINISHINGMILLISTHEKEYPARTOFHIGHSPEEDROLLINGMILLTHEWORKINGCONDITIONANDFAULTTRENDSCANBEPREDICTEDBYTHEONLINEMONITORINGANDFAULTDIAGNOSISSYSTEM,WHICHISVERYIMPORTANTTOENSURETHESA
4、FETYINPRODUCTIONBEVELGEARBOXISANIMPORTANTCOMPONENTOFFINISHINGMILL,THEREFORETOSTUDYTHEDIAGNOSISTECHNOLOGYOFBEVELGEARBOXTOREDUCEEQUIPMENTMAINTENANCECOSTS,IMPROVEPRODUCTQUALITYANDMARKETCOMPETITIVENESSHASIMPORTANTENGINEERINGAPPLICATIONVALUEPAPERFORHIGHSPEEDWIRERODFINISHINGMILLFAILURETOCARRYOUTTHERESEARC
5、H,THEUSEOFPORTABLEINSTRUMENTS,THEKEYEQUIPMENTTOCHECK,ACCORDINGTOCERTAINCYCLEVIBRATIONDATAACQUISITIONEQUIPMENTFORSTATISTICSANDANALYSISWORKSTATIONINCURVEFORMREFLECTEDINTHESYSTEM,SUCCESSFULLYCAPTURETHEFINISHINGMILLALLKINDSOFFAULT,TOAVOIDTHEMALIGNANTACCIDENT,HASOBTAINEDTHEREMARKABLEECONOMICBENEFITSKEYWO
6、RDSHIGHSPEEDWIREMILLSGEARBOXONLINEMONITORINGFAULTDIAGNOSIS邢台职业技术学院毕业论文4引言企业的发展动力来源于员工的较高素质，员工的专业知识与技能的熟练握是企业高效率生产及操作技能水平。进行这次毕业论文设计，也为将来的工作打下了坚实的基础。无论是实际应用中，还是在理论研究方面。我都尽量使它符合实际操作。因为我实习的岗位为精装工，所以我比较侧重实际操作技能，不断要求自己提高实际动手解决为体的能力，使自己的工作水平更上个台阶以及对我国钢铁企业尽一份自己的微薄之力。邢台职业技术学院毕业论文51高速线材轧机的发展11线材轧机的发展与高速线材轧机的
7、诞生据资料介绍，第一台轧机问世于17世纪，比较正规的第一台横列式轧机建于1817年，由于受冶金工业发展限制，直到19世纪末仍以横列式为主。20世纪线材轧机发展迅速，由横列式、半连续式、连续式直到高速线材轧机的诞生，每一种新的布置都使线材的轧制速度、质量、和盘重有所提高，唯独高速线材轧机取得了突飞猛进的发展。纵观轧机发展史，不得不提二种具有代表性的轧机一种是以美国摩根公司为代表研制的精轧机组集体传动的二辊水平式轧机；一种是以德国是罗曼公司为代表研制的精轧机组单独驱动的平立交替式轧机。集体传动受到了轧制速度和扭转翻钢的限制。轧制速度高，活套出口速度就高，甩尾打结因此频频发生；轧制速度高，扭转导管故
8、障显著增加，即便优化扭转导管，轧制速度也不过35M/S二辊水平轧机虽然多线轧制，各条线之间互不影响，但是一条线有故障，必须全线停下来，当恢复轧制时，高速轧机需要慢速“爬行”通过轧件，然后在高速生产，所以多线轧制的作业率低。更重要的是多线轧制的产品断面尺寸精度低，对于线材来说，可能影响较小，但是对于表面质量要求十分严格的冷镦才、弹簧丝、琴钢丝等，提高其精度是十分必要的。12高速线材轧机的发展概况121高速线材轧机机型纵观高速线材轧机的发展史，一般轧机最大速度在40米每秒左右，因此，所谓高速轧机，一般是指最大轧制速度高于40M/S。高速轧机的特点是高速、无扭、微张力。其产品的特点是盘重大、精度好、
9、质量高。因此，高速轧机仅仅是高速线材轧机的关键设备之一。其机型按轧辊大小可分为大辊径（直径250290毫米）和小辊径（直径152210毫米）；按轧辊中心线相对于地面布置的角度，可分为15度、75度、45度、平立辊交替二辊式等；按轧辊的支撑状况，可分为双支点（三辊式和框架式）和悬臂式两种。而45度高速轧机，按机架间轧辊交汇位置不同，又分为侧交和顶交；按传动方式不同，又分为外齿传动和内齿传动两种。上述各种机型可概括为三辊式、45度、15度/75度和平立交替式4种。邢台职业技术学院毕业论文6122高速线材轧机的发展与成熟如前所述，一般将轧制速度大于40米每秒的轧机称为高速轧机。因此轧制速度是高速线材
10、轧机的一个重要参数。摩根式精轧机是当代具有代表性的高速轧机。20多年的发展，摩根轧机一次又一次取得了质的飞跃。表1摩根轧机各代情况代保证轧制速度4350617580100最大辊径时的轧制速度50607590100120电机最大转速时的轧制速度607290112120140从表1可看出，轧制速度一次又一次的提高。轧制速度提高了，盘重自然而然的就增加了。因为当成品轧制速度为43米每秒时，盘重通常为600千克左右，当轧制速度提高到50到75米每秒时，盘重可增加到10002000千克，个别的甚至达到2500千克。为了适应高速度的要求，无扭精轧机组进行了改进，例如降低机组重心，降低传动轴高度，减少机组的
11、振动。说道振动，因为摩根三代到五代均采用45度侧交，这种方式的轧机传动轴距基础平面太高，机组振动大，噪音大，而振动限制速度的增长，所以他又被淘汰的趋势。强化轧机，增大精轧机组大辊径轧机的数量。改进轧机调整性能。为了适应高速度调整和控制调整的要求，高速线材轧机在精轧机组增设了辊缝传感器和数字显示器。123高速线材精轧轧机的典型结构高速线材精轧机组是典型的高精度、高集成度设备，一般由电机、增速箱、齿轮分配箱、锥齿轮箱和辊箱组成。以唐山德龙钢铁有限公司线材厂的精轧机为例，其如图1所示。机架为V型互成90布置，10个机架安放于整体刚性底座上，由电机集中驱动。主电机通过增速箱和分配箱的齿轮，带动两根输出
12、轴，输出轴通过齿形联轴器与两根传动轴相联，分别驱动上下两侧的奇数和偶数机架。传动如图2、3所示。邢台职业技术学院毕业论文7图1精轧机现场实况图2整体示意图图3箱体内传动示意图邢台职业技术学院毕业论文82高速线材精轧机的故障机理和故障特征21精轧机轴承的故障机理和故障特征滚动轴承是旋转机械转子系统以及部分往复机械曲轴组件的重要支承部件，其基本结构包括轴承外圈、轴承内圈、滚动体（钢球）、保持架（器）等元件（如图4所示）。图4滚动轴承示意图在旋转机械的各种故障中，滚动轴承故障占有相当大的比例，据不完全统计，旋转机械的故障中约有30是由滚动轴承引起的。因为滚动轴承是机器上的易损件，严重的轴承故障会导致
13、机器剧烈的振动和噪音，降低设备效率，甚至引起设备损坏。一直以来，我们习惯于对滚动轴承采用定期更换的维修方式，但是由于轴承的原始状况和工作条件等都很复杂，其使用寿命一般很难人为预计。也就是说，与其他机械零件相比，滚动轴承的寿命离散性很大。比如在我厂，有的轴承已远超过设计寿命而依然在使用，而有的轴承在新安装上机后就出现烧损、断裂等故障。所以滚动轴承的诊断方法，一直是机械故障诊断中重点发展的技术之一。滚动轴承故障的准确诊断可以减少或杜绝事故的发生，最大限度发挥轴承的工作潜能，对节约开支，具有重大意义。211滚动轴承常见故障形式滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分
14、和异物的侵入、腐烛和过载等都可能会导致轴承过早的发生损坏。即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间的运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损而导致无法正常工作。滚动轴承在工作时，内、外套圈间有相对运动，滚动体既自转又围绕轴承中心公转，滚动体和套圈分别受到不同的脉动接邢台职业技术学院毕业论文9触应力。总之，滚动轴承的故障原因是十分复杂的。滚动轴承的主要故障形式如下（1）疲劳脱落滚动轴承的内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，由于交变载荷的作用，首先在表面下一定深度处（最大剪应力处）形成裂纹，继而扩展到接触表面使表层发生剥落坑，最后发展到大片剥落，这种现象就是疲劳剥落。疲劳剥落会造成运转
15、时的冲击载荷、振动和噪声加剧。通常情况下，疲劳剥落往往是滚动轴承失效的主要原因。2磨损由于尘埃、异物的侵入，滚道和滚动体相对运动时会引起表面磨损，润滑不良也会加剧磨损，磨损的结果使轴承游隙增大，表面粗糙度增加，降低了轴承运转精度，因而也降低了机器的运动精度，振动及噪声也随之增大。3塑性变形当轴承受到过大的冲击载荷或静载荷时，或因热变形引起额外的载荷，或有硬度很高的异物侵入时都会在滚道表面上形成凹痕或划痕。这将使轴承在运转过程中产生剧烈的振动和噪声。而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落。4诱烛锈烛是滚动轴承最严重的问题之一，高精度轴承可能会由于表面锈蚀导致精度丧失而不能
16、继续工作。水分或酸、碱性物质直接侵入会引起轴承锈烛。当轴承停止工作后，轴承温度下降达到露点，空气中水分凝结成水滴附在轴承表面上也会引起锈烛。5断裂过高的载荷可能会引起轴承零件断裂。磨削、热处理和装配不当都会引起残余应力，工作时热应力过大也会引起轴承零件断裂。6胶合所谓胶合是指一个零部件表面上的金属粘附到另一个零件部件表面上的现象。在润滑不良、高速重载情况下工作时，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤及胶合。7保持架损坏由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形，增加它与滚动体之间的摩擦，甚至使某些滚动体卡死不能滚动，也有可能造成保持架与内外圈发生摩擦等。邢台职业技
17、术学院毕业论文10这一损伤会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏。212滚动轴承的震动信号特征滚动轴承在运转时，由于轴的旋转，滚动体便在内、外圈之间滚动。如果滚动表面发生损伤，滚动体在这些表面转动时，便产生一种交变的激振力。由于滚动表面的损伤形状是无规则的，所以激振力产生的振动将是由多种频率成分组成的随机振动。从轴承滚动表面状况产生振动的机理可以看出，轴承滚动表面损伤的形态和轴的旋转速度决定激振力的频谱，轴承和外壳决定了振动系统的传递特性。最终的振动频谱是由上述二者共同决定。也就是说，轴承异常所引起的振动频率，由轴的旋转速度、损伤部分的形态及轴承与外壳振动系统的传递特性所决定。通常，轴的
18、旋转速度越高，损伤越严重，其振动的频率越高，轴承的尺寸越小，其固有频率越高。因此，轴承异常所产生的振动，对所有的轴承都没有一个共同的特定频率；即使对一个特定的轴承，当产生异常时，也不会只产生单一频率的振动。当轴承内、外圈、滚子出现点蚀等故障时，会产生一定（特征）频率的冲击，引起轴承振动，机器运行会出现周期性脉冲。这种周期性脉冲作用时间短，形状陆峭。根据轴承产生缺陷零件的不同，其相应的特征频率也不同。22精轧机齿轮的故障机理和故障特征齿轮是旋转机械上的重要部件，其运行状态的好坏直接影响到整个机组的正常工作。由于制造、安装、维护和工作环境等多种因素的影响，齿轮机构容易发生多种缺陷。齿轮传动由于其结
19、构紧凑、传动比精确等的优点，成为机械设备中常用的传动方式。现代机械对齿轮传动的要求F1益提高，既要求齿轮能在高速、重载、特殊介质等恶劣环境条件下工作，又要求齿轮传动具有高平稳性、高可靠性等良好的工作性能，使得影响齿轮正常工作的因素愈来愈多。而齿轮工作不正常又是诱发机器故障的重要因素。因此，对齿轮故障诊断技术的应用研究也是非常重要的课题。221齿轮常见的故障形式齿轮由于结构型式、材料与热处理、操作运行环境与条件等因素不同，发生故障的形式也不同，常见的齿轮故障有以下几类形式。邢台职业技术学院毕业论文111齿面磨损润滑油不足或油质不清洁会造成齿面磨粒磨损，使齿廓改变，侧隙加大，以至由于齿轮过度减薄导
20、致断齿。一般情况下，只有在润滑油中夹杂有磨粒时，才会在运行中引起齿面磨粒磨损。2齿面胶合和擦伤对于重载和高速齿轮的传动，齿面工作区温度很高，一旦润滑条件不良，齿面间的油膜便会消失，一个齿面的金属会焰掉在与之哨合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕状胶合。新齿轮未经磨合便投入使用时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。3齿面接触疲劳齿轮在实际喷合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。载荷和脉动力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力，当这种剪应力超过齿轮材料的疲劳极限时，接触表面将产生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展，最终使齿面
21、剥落小片金属，在齿面上形成小坑，称之为点烛。当点烛扩大连成片时，形成齿面上金属块剥落。此外，材质不均勻或局部擦伤，也容易在某一齿上首先出现接触疲劳，产生剥落。4弯曲疲劳与断齿在运行过程中承受载荷的轮齿，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用最大，当这种周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。齿轮由于工作中严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能会引起断齿。断齿和点蚀是齿轮故障的主要形式。222齿轮的震动信号号特征齿轮振动信号中包含多种频率成分，但其中主要有4种1齿轮咬合频率齿轮咬合频率随着齿轮的哨合运动而产生，在数值上等
22、于齿轮的齿数乘旋转频率。一对咬合运动中的齿轮，其咬合频率对其中任何一个齿轮都是相等的。2齿轮自振频率有缺陷的齿轮，在运行中将产生脉冲，这会激起齿轮的自振频率（即固有频率）。自振频率的出现是判断齿轮失效的一个重要指标。3齿轮边频带邢台职业技术学院毕业论文12当齿轮存在故障时，在喷合频率或固有频率两旁产生边频，这些边频也是判断齿轮故障的有效信息。4其他频率成分这些频率成分，主要指的是因为转子不平衡，轴不对中，机械松动等造成的频率分量。邢台职业技术学院毕业论文133高速线材精轧机故障诊断方法研究高速线材精礼机的故障诊断，在一定程度上就是对轴承和齿轮的故障诊断，振动和噪声信号是齿轮箱故障特征信息的载体
23、，能够通过各种信号传感器、放大器及其他测量仪器，很方便地测量出齿轮箱的振动和噪声信号，通过各种分析和处理，提取其故障特征信息，从而诊断出齿轮和轴承的故障。早期的机械设备状态监测与诊断主要是依靠人体的感官和人的经验，或者借助于某些简单的工具来进行。例如，有经验的工人常利用听音棒来判断滚动轴承及子的状态。随着科技的发展和工业化程度的提高，设备的精密程度、复杂程度和自动化程度等越来越高，早期那种设备监测与诊断的方法已经不适用了。到目前为止，人们己经研究了多种现代化的诊断方法。当前根据诊断所采用的状态量来分类，诊断方法主要可分为（1温度检测法；（2油液分析法；（3油膜厚度分析法；（4振动分析法；（5声
24、学法等。结合到我厂的实际情况，在精乳机组的振动监测系统中主要利用了振动分析法，对精礼机的运行情况进行分析。31精轧机振动信号的时域波形分析时域分析，是通过观察振动信号的时间历程，对其信号的周期性及随机性给出定性评价。因其未经过傅里叶变换，不会产生信号的泄露或畸变，具备直观反映信号特征的优点。波形分析，是时域分析中的一种，特别适用于对非稳态以及短时瞬态脉冲的分析研究，比如齿轮断齿，轴承内圈或外圈断裂等故障相对容易提前发现。齿轮故障波形具有明显的冲击特征，一般在看波形时，主要看信号变化的快慢；信号有效值的范围；信号的连续性和离散性；信号的幅度调制；信号的对称性和信号是否具有周期性的冲击。图5、图6
25、为不同时间的某高线厂四线第八架锥箱水平振动加速度信号，图5为发生轴承内圈断裂故障时的振动信号时域波形，信号幅值较大，且波形呈现典型的调制特性。图6为正常时的振动信号时域波形，信号幅值整体较小，基本为低频正常振动，基本看不出调制特性。邢台职业技术学院毕业论文14图5故障信号图6正常信号32精轧机振动信号的幅值域分析轴承振动信号的幅值分析是一种常用的简易故障诊断手段。通过观察信号的幅值域统计指标，可以粗略地判断轴承的状态。通常使用的幅值域统计指标有波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标、帕度指标、峰峰值、峰值、有效值等。图7为2008年5月8日至5月20日四线第八架锥箱水平振动幅值的发展趋势，可以
26、看出该监测点的振动幅值从05月11日之后一路攀升，增长幅度过快，意味着设备运行状态恶化，需要技术人员密切关注。图7四线第八架锥箱水平振动幅值邢台职业技术学院毕业论文15结论本论文是根据高线厂精轧机在线监测与故障诊断项目提出的。该项目以保障精轧机组的安全运行为研究背景，主要研究高线精轧机设备状态监测与故障诊断，针对轧机生产线的关键设备精乳机组齿轮箱，重点讨论了齿轮箱主要零部件滚动轴承和齿轮的常见故障形式、振动特征及故障特征频率，利用监测系统的分析判断功能对精札机轴承的使用状况进行分析，阐述了振动信号时域波形分析、幅值域统计分析等方法，为后期的特征提取与故障诊断奠定了理论基础，以保证设备的正常使用
27、。由于本人的理论知识和实践水平都很有限，在课题研究和论文撰写过程中难免存在很多不足之处，恳请各位老师批评指正邢台职业技术学院毕业论文16致谢首先感谢学校及学院各位领导的悉心关怀和耐心指导，特别要感谢老师给我的指导，在论文写作过程中，我始终得到果老师的悉心教导和认真指点，使得我的理论知识和动手操作能力都有了很大的提高与进步。在她身上，时刻体现着作为科研工作者所特有的严谨求实的教学风范，勇于探索的工作态度和求同思变、不断创新的治学理念。她不知疲倦的敬业精神和精益求精的治学要求，端正了我的学习态度，使我受益匪浅。另外，还要感谢我的同学，他们在寻找资料，解答疑惑，实验操作、论文修改等方面，都给了我很大
28、的帮助和借鉴。最后，最后我要感谢在工作上对我认真负责的师傅们，我受益匪浅。在这里向你们表示衷心的感谢。谢谢你们的栽培。我一定为国家钢铁行业的发展尽一份自己的微薄之力。邢台职业技术学院毕业论文17参考文献1高立新棒线材轧机故障诊断实例修订1版北京中国农业科学技术出版社，2008年11月2强十涌，乔德庸，李曼云高速轧机线材生产修订2版北京冶金工业出版社，2009年6月3高速线材轧机产品的质量控制重钢技术2006,6237514陈予恕机械故障诊断的非线性动力学原理J机械工程学报，2007，43125345李明，孙涛，胡海岩齿轮传动转子轴承系统动力学的研究进展J振动工程学报，2002，15324925
29、66申永军，杨绍普等齿轮系统非线性动力学研究进展及展望J石家庄铁道学院学报，2005，1845107张锁怀，李忆平，丘大谋用谐波平衡法分析齿轮耦合的转子一轴承系统的动力特性J机械工程学报，2000，36718228杨绍普，申永军基于增量谐波平衡法的齿轮系统非线性动力学J振动与冲击，2005，24340429杨宏斌，高建平,邓效忠等弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮非线性动力学研究J航空动力学报，2004，1911545710朱艳芬,陈恩利，申永军含有故障的齿轮系统扭转振动分析J北京机械工业学院学报,2007,22413171117韩振南齿轮传动系统的故障诊断方法的研究D太原理工大学博士学位论文，2003
