轧机滚动轴承故障诊断技术

轧机滚动轴承的故障诊断技术徐金梧阳建宏北京科技大学轧机轴承的故障诊断技术2/36设备状态监测与故障诊断概述轧机滚动轴承常见的故障形式轧机滚动轴承的“三八诊断法”状态监测与故障诊断的新技术与新方法主要内容轧机轴承的故障诊断技术3/362005年1月19日22点20分，某钢铁厂粗轧机齿轮箱轴承损毁，整条生产线被迫停机，事故检修共用了48小时。轴承保持架断&轴承内圈破裂轴承严重损坏直接经济损失3000多万！设备状态监测与故障诊断概述轧机轴承的故障诊断技术4/362003年美国“哥伦比亚”号航天飞机失事，航天飞机直接经济损失24亿美元，飞机上所有的航天员全部罹难。设备状态监测与故障诊断概述1979年3月，美国三里岛核电站设备发生故障，造成几十亿美元的经济损失，核辐射极大危害当地居民的身体健康。轧机轴承的故障诊断技术5/36设计、制造、安装、使用长期运行中，设备故障难以避免及时发现设备的异常和故障，尽早采取防治措施可以早发现、早预防，保证生产正常运行，减少经济损失，防止安全事故发生。掌握设备过去和现在的运行状态，预测设备未来的工作状态，可以为设备管理和维修决策提供技术根据为什么要进行设备故障诊断？轧机轴承的故障诊断技术6/36医生工程师机器人看病设备故障诊断的思想来源于医学诊断：什么是设备故障诊断？轧机轴承的故障诊断技术7/36医学诊断方法设备故障诊断方法听、摸、看、闻振动与噪声监测温度测量油液分析应力应变测量无损检测技术（裂纹）望、闻、问、切听心音、做心电图量体温验血验尿量血压X射线、超声检查问病史查阅设备档案资料什么是设备故障诊断？设备故障诊断的思想来源于医学诊断：轧机轴承的故障诊断技术8/36设备故障诊断是一种在设备运行中或在基本不拆卸的情况下，了解和掌握设备工作状态，确定设备的整体或局部是否工作正常，发现早期故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。什么是设备故障诊断？轧机轴承的故障诊断技术9/36信号采集、数据显示设备传感器状态监测分析处理、状态识别故障诊断、决策参考图谱分析诊断治理防治监护运行停机检修决策处理巡回监测状态监测分析诊断决策处理如何进行设备故障诊断？轧机轴承的故障诊断技术10/36事后维修(BreakdownMaintenance,BM)计划维修(TimeBasedMaintenance,TBM)预知维修(PredictiveMaintenance,PM)我国目前情况：以设备状态为基础，与计划维修相结合的预防维修制度也称被动维修，那时的机器小、简单、易修，损失也不大（我国解放前就是这种状况）；第二次世界大战之后，发展成为定期维修。国际上20世纪60年代中期开始，我国80年代才开始；20世纪90年开始，以可靠性为中心的维修。设备维修方式的变革轧机轴承的故障诊断技术11/36设备状态监测与故障诊断概述轧机滚动轴承常见的故障形式轧机滚动轴承的“三八诊断法”状态监测与故障诊断的新技术与新方法主要内容轧机轴承的故障诊断技术12/36热轧轧机轴承精整热卷库热轧卷冷轧厂热轧主工艺流程近年来工业的发展对轧件的质量要求越来越高，主要体现在：板形要求（平直度、厚度、波度等形位公差）严格；板材的强度等机械性能有很大提高，从而导致轧制工艺的改革，对轧辊辊系的轴承配置有了很大变化。轧机轴承的故障诊断技术13/36热轧轧机轴承轧制力增大，导致轴向力增大。因此，辊颈部位必须要配置能承受推力载荷的专用轴承。四列圆锥滚子轴承轧机轴承的故障诊断技术14/36冷轧轧机轴承冷轧主工艺流程轧机轴承的故障诊断技术15/36板厚精度误差％滚动轴承滚动轴承油膜轴承油膜轴承加减速度时速度稳定时876543210冷轧板规格；0.6－0.8mm板厚精度误差％轧辊转速rpm精度提高40％1）加减速度时；板厚精度提高5倍2)速度稳定时；板厚精度提高2倍1.510.50050010001500滚动轴承化对冷轧板材厚度精度的变化滚动轴承油膜轴承冷轧轧机轴承滚动轴承滚动轴承油膜轴承油膜轴承轧机轴承的故障诊断技术16/36冷轧轧机轴承支承辊工作辊全密封四列圆锥滚子轴承四辊轧机轴承高精度四列圆锥滚子轴承高精度四列圆柱滚子轴承发展趋势油膜轴承主要以滚动轴承为主进行讨论轧机轴承的故障诊断技术17/36滚动轴承的故障形式与机理工作情况复杂：变速、变载(重载)工作环境恶劣：高温、高湿、粉尘轧机轴承故障诊断存在的难点传感器安装位置受限；信号能量弱，易被噪声淹没；在变速变载工况下，故障特征频率实时变化，难以跟踪；轧制过程的工艺量参数获取困难；轧机轴承的故障诊断技术18/36滚动轴承的故障形式与机理疲劳剥落（点蚀）因受滚动压应力磨损因受压力又有与内外座圈的相对滑动腐蚀润滑油中的水分几其它化学物质产生锈蚀裂纹由于磨削或淬火时作用而产生塑性变形胶合保持架损坏滚动轴承常见故障轧机轴承的故障诊断技术19/36滚动轴承的故障形式与机理内圈疲劳失效外圈疲劳失效滚动轴承常见故障疲劳剥落原因：内外滚道和滚动体表面既承受载荷又相对滚动，交变载荷的作用，在表面下一定深度处形成裂纹，裂纹扩展到接触表面使表层发生剥落坑后果：造成运转时的冲击载荷、振动和噪声加剧轧机轴承的故障诊断技术20/36滚动轴承的故障形式与机理滚动轴承常见故障锈蚀原因：水分或酸、碱性物质的侵入后果：容易导致剥落高精度轴承由于表面锈蚀导致精度丧失而不能正常工作磨损原因：尘埃、异物的侵入润滑不良后果：轴承游隙增大，表面粗糙度增加轴承运转精度降低，振动和噪声增大轧机轴承的故障诊断技术21/36滚动轴承的故障形式与机理塑性变形原因：轴承受到过大的冲击载荷或静载荷硬度很高的异物侵入后果：运转过程中产生剧烈的振动和噪声压痕引起的冲击载荷会进一步引起附近表面的剥落胶合原因: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，使一个表面上的金属粘附到另一个表面上后果:出现压痕，产生剥落区滚动轴承常见故障轧机轴承的故障诊断技术22/36滚动轴承的故障形式与机理保持架损坏原因：由于装配或使用不当可能会引起保持架发生变形保持架和滚动体之间的摩擦增大，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后果：会进一步使振动、噪声与发热加剧，导致轴承损坏断裂原因：过高的载荷可能引起轴承零件断裂金属材料有缺陷和热处理不良转速过高，润滑不良后果：轴承出现裂纹，加速劣化滚动轴承常见故障轧机轴承的故障诊断技术23/36滚动轴承的故障形式与机理装配不当润滑不良腐蚀水分和异物侵入是在滚道、滚子、保持架或其他位置出现红棕色区域过热征兆是滚道，球和保持架变色，从金色变为蓝色温度超过400F（204℃）使滚道和滚动体材料退火硬度降低导致轴承承重降低和早期失效严重时引起变形，另外温升高会降低和破坏润滑性能过载引起过早疲劳(包括过紧配合，布氏硬度凹痕和预负荷)造成滚动轴承故障的主要原因轧机轴承的故障诊断技术24/36设备状态监测与故障诊断概述轧机滚动轴承常见的故障形式轧机滚动轴承的“三八诊断法”状态监测与故障诊断的新技术与新方法主要内容轧机轴承的故障诊断技术25/36信号采集、数据显示设备传感器状态监测分析处理、状态识别故障诊断、决策参考图谱分析诊断治理防治监护运行停机检修决策处理巡回监测滚动轴承故障诊断的基本知识轧机轴承的故障诊断技术26/36正峰值负峰值平均绝对值有效值平均值峰峰值时域分析特征值统计分析，如：概率密度分析相关分析时域多段平均滚动轴承故障诊断的基本知识轧机轴承的故障诊断技术27/36频域分析特点：随着故障的发生、发展，往往引起信号频率结构的变化目的：把复杂的时间历程波形经傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波的幅值和相位信息滚动轴承故障诊断的基本知识轧机轴承的故障诊断技术28/36滚动轴承的振动机理内圈故障频率：fi=0.6×z×fr外圈故障频率：fo=0.4×z×fr保持架故障频率：fc=0.381~0.4×fr外圈与保持架关系：fo=z×fc外圈与内圈关系：fo+fi=z×fr滚动体与转频关系：fb=0.23×z×fr(z10)fb=0.18×z×fr(z10)故障频率经验公式(fr为转频；z为滚动体个数)滚动轴承故障诊断的基本知识轧机轴承的故障诊断技术29/36滚动轴承常见故障图谱1fo1fi1f或1fc1fo1fc内圈产生缺陷，内圈故障特征频率被转频或保持架特征频率调制外圈产生缺陷，外圈故障特征频率冲击幅值相等1fo1fi1f或1fc1fo1fc滚动轴承故障诊断的基本知识轧机轴承的故障诊断技术30/36滚动轴承常见故障图谱滚动体产生缺陷，滚动体故障特征频率被保持架特征频率所调制滚动轴承如果存在润滑不良造成的干磨擦故障，在时域波形中会出现削波现象1fo1fi1f或1fc1fo1fc滚动轴承故障诊断的基本知识轧机轴承的故障诊断技术31/36三八诊断法三个频段八个确认高频段指频率范围处于2000－5000Hz的频段，主要是轴承固有频率，在轴承故障的早期，高频段反映比较敏感中频段指频率范围处于800－1600Hz的频段，一般是由于轴承润滑不良而引起碰磨产生的频率范围低频段指频率范围处于0－800Hz的频段，基本覆盖轴承故障特征频率及谐波非同步频率保持架频率与转频的关系保持架与外圈故障频率的关系内圈与外圈关系滚动体频率与转频的关系共振解调时域波形特征已知的故障特征滚动轴承的“三八诊断法”轧机轴承的故障诊断技术32/36滚动轴承“三八诊断法”首先根据转速n，计算得到转频fr=n/60确认一：找到转频的非同步频率转频24.84Hz及谐波非同步频率203.28Hz及谐波非同步频率203.28Hz带有转频24.84Hz的边带滚动轴承的“三八诊断法”轧机轴承的故障诊断技术33/36滚动轴承“三八诊断法”确认二：保持架故障频率与转频的关系fc=0.381~0.4×fr保持架频率7.031Hz转频16.56Hz确认三：保持架故障频率与外圈故障频率的关系fo=z×fc保持架频率7.031Hz外圈故障频率134.84Hz转频16.56Hz滚动轴承的“三八诊断法”轧机轴承的故障诊断技术34/36滚动轴承“三八诊断法”确认四：内圈、外圈故障频率与转频的关系fo+fi=z×fr确认五：滚动体故障频率与转频的关系fb=0.23×z×fr(z10)fb=0.18×z×fr(z10)外圈频率135.78Hz内圈频率179.53Hz转频16.56Hz转频16.56Hz滚动体故障频率55.78Hz滚动轴承的“三八诊断法”轧机轴承的故障诊断技术35/36-Equipment1-41AnalyzeACorr(Wf)07-10-3111:17:48RMS=.3793LOAD=95.0RPM=60.(1.00Hz)PK(+)=.9930PK(-)=.5123CRESTF=2.6213001400150016001700180019002000-1.0-0.500.51.0TimeinmSecsCorrelationFactor确认六：用共振解调法识别故障频率确认七：时域图识别故障频率故障频率201.57Hz的冲击削波处冲击频率137.50Hz及谐波以转频16.56Hz为边带滚动轴承的“三八诊断法”轧机轴承的故障诊断技术36/36确认八：确认已经验证过的故障频率是否存在故障频率203.68Hz设备在经过一次或几次测量后，可以确认滚动轴承某个故障特征频率，若在以后的测试中再次出现这个已经确认的故障特征频率，则可以不作其他验证滚动轴承的“三八诊断法”轧机轴承的故障诊断技术37/361780精轧机架辊轴承故障诊断无缝厂177机组穿孔机轴承故障诊断案例分析轧机轴承的故障诊断技术38/361780精轧机架辊轴承故障诊断转速：318rpm轴承型号