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东北大学硕士学住论文 平整机组带材表面横振纹产生机理与抑振对策 摘要 本篇论文主要叙述了c m 0 4 平整机在平整轧钢板的过程中，由于系统中各运 动部件存在缺陷而产生冲击振动激起系统固有频率导致该机组不能正常生产或 生产出钢板表面出现“横振纹”的不合格产品。通过第二章中第一节简述了振动 信号处理方法，了解如何从时域信号转换成频域信号，在时域、频域中辨识旋转 运动部件存在故障的特征频率：第二节介绍了轴承故障产生的机理，利用振动分 析法和磨损分析法的综合诊断来确诊工作辊轴承外圈出现疲劳剥落的故障：第三 节，简述了机架牌坊间隙过大造成振动的传递使工作辊的垂直振动值偏大；第四 节提供了传动侧的支撑轴承磨损( 或游隙过大) ，扁头套与扁头之间配合不当或 磨损造成间隙过大，齿式联轴器的内齿、外齿之间啮合不良或间隙不当等导致冲 击激起系统的共振；第五节描述了在静态状态下，利用外激励的方式测取系统的 固有频率与传动侧存在故障时，冲击能量过大激起系统固有频率的对比。第六节 叙述串联电机可控硅变频、变速的原理，并由此产生的电网谐波对平整机的影响， 最后一节总结平整机回转运动部件出现故障对轧板质量的影响，并提出判断故障 的依据和采取的对策措施。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h i sp a p e rd e c l a r e st h a tt h eu n q u a l i f i e d r o l l i n gp r o d u c t i o nw a si s s u e dd u e t ot h e c h a t t e ro ft h es t e e lp l a t ed u r i n gc m 0 4 r o l l i n gc a u s i n gb yt h ei n h e r e n td e f a u l t so ft h e r u n n i n gp a r t sa n dp u l s ev i b r a t i o n t h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o dw a si n t r o d u c e di nt h e f i r s tp a r to f c h a p t e r t w oa n dt h ef r e q u e n c yf e a t u r ee x t r a c t i o ni d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y w a sd e c l a r e df o rt h ef a u l t d i a g n o s i so fr o t a t i n gp a r t s t h ef a u l tm e c h a n i s mo ft h e r o l l i n gb e a r i n gw a si n t r o d u c e di nt h es e c o n dp a r ta sw e l la st h ec o m p l i c a t e dd i a g n o s i s f o rt h eo u t e rr i n gf a u l t sl o c a t i o no ft h ew o r kr o l lu s i n gv i b r a t i o na n a l y s i sa n dw e a r p a r t i c l e sa n a l y s i s t h es i t u a t i o no f t h ee x t r ai n t e r v a lo ft h er o l l i n gf l a m ew a sb r i e f l y i n t r o d u c e di nt h et h i r d p a r tl e a d i n g t ot h es e r i o u sv i b r a t i o ni nt h ev e r t i c a ld i m c t i o no f t h ew o r kr o l l t h er e a s o na n a l y s i so ft h er e s o n a n c ew a si l l u s t r a t e di nt h ef o u r t hp a r t s u c ha st h ei n a p p r o p r i a t ei n s m l l a t i o ni n t e r v a la n dt h ew e a ri n t e r v a lo ft h eb e a t i n go f t h eb a c kr o l la sw e l la st h ea b n o r m a lg e a rt r a n s m i s s i o n t h e c o m p a r i s o ni d e n t i f i c a t i o n m e t h o dw a sd e m o n s t r a t e di nt h en e x tp a r tu s i n gt h eo u t e rp u l s ee x c i t i n gm e t h o df o r t h ei n h e r e n tf r e q u e n c ym e a s u r i n ga g a i n s tt h ef a u l ts i t u a t i o no ft h ed r i v es i d e t h e t h e o r yo f t h ei n v e r t e rm o t o rw a si n t r o d u c e di nt h es i x t hp a r ta n dt h ee l e c t r i ch a r m o n i c i n f l u e n c et ot h er o l l i n gm a c h i n e t h es u m m a r yw a s ，p r e s e n t e da tl a s ta n dt h ef a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g ya n d t h es o l u t i o nf o rt h ep r o d u c t i o n q u a l i t yi m p r o v e m e n t 1 1 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中所涉及到的测 试数据和分析结果不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人发表 论文而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 名：融 日期： 0 7 p 口乡 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 背景研究 在带钢冷轧、平整过程中，带材表面出现横振纹是目前世界各钢铁企业内因 设备问题而普遍存在的质量缺陷，它使带材达不到高质量性能指标，成品率降低。 由于宝钢2 0 3 0 冷轧c m 0 4 平整机组当时定位生产建筑用材，表面出现的横振纹 并没有引起足够重视和采取对策措施。随着用户对带材表面质量的要求越来越 高，在追求产量目的下，轧制速度越来越快，带材表面的横振纹的出现引起人们 足够重视，如：用于轿车或家用电器的表面，经喷涂之后，出现严重影响产品的 质量问题。另一方面，由于支撑辊上同样会出现明暗相间的条纹，也增加了换辊 的次数，从而降低了生产率，增加了维修成本。以宝钢生产汽车板为例，每年由 于带材表面经常出现明暗相间的横振纹等质量缺陷，每年被封闭的带钢产量达2 万吨左右。目前，带材表面质量问题已成为宝钢占据国内汽车板市场的严重障碍， 在生产中用降低轧制速度减小振动幅值的方法来抑制振纹，并非良策，用采取频 繁换辊、更换运动部件，安装液压衬垫等办法，也均未能彻底解决问题。 轧机振动在实际生产中普遍存在，轧板表面出现的明暗相问条纹的质量缺陷 己成为生产厂家十分棘手的问题，国内外许多专家学者在轧机振动以及振动纹方 面做了大量的研究工作。 o b e y s 将振动和横振纹归为同类问题一并研究，他发现在单机架四辊轧机上 最常发生的是一种扭振动和两种垂振： a ：扭振的频率通常很低，对大型轧机一般为5 - 2 0 h z 。 b ：第一种垂直振动的频率分布一般在1 2 0 - 2 5 0 h z 范围内。 c ：第二种垂直振动频率分布于5 0 0 7 0 0 h z 之间。 针对上述三种振动的机理及相关对策，r 0 b e r t s 作了深入研究。 g e r a o l l 等人研究了四辊轧机及平整机的5 0 0 7 0 0 h z 范围内的振动。他们用 有限元法分析了辊系的弯曲振动，认为此范围内的振动是由支撑辊的弯曲振动引 起的，然后利用上、下支撑辊表面的几何和速度条件给出了预防和消除该项振动 方面的措施。 j e r r yr 等人从传递函数入手，将轧机振动分为三类：强迫振动、自激振动 和共振。强迫振动的强弱取决于外界激振源：自激振动的发生在于外界激振频率 东北大学硕士学住论文第一章引言 与系统固有频率接近，其幅值由振源和系统固有特性共同决定。 r e m m m i n g 等人用a n s y sp c - - l i n e r 4 4 a 软件包对整个轧机进行了三维有 限元分析，并给出了前4 0 个模态，然后，模拟计算了各种激励工况，根据其响 应，着重分析了前1 2 0 2 5 0 h z 范围内振动的振源和抑制措施。作者指出将实测 信号分析与有限元分析相结合有助于辨别振源。 奥钢联的w i l h e i mh o f m a n n 等人从19 9 4 年启动了旨在减少平整过程横振纹 的研究。首先，通过对带钢表面横振纹进行测量，重新定义了横振纹的物理特征， 他们认为工作辊和支撑辊的共振导致了不同振幅和相位的振波在带钢上叠加，如 果叠加后波峰大于o 3 u m 就会在带钢表面上形成明暗相间的条纹。然后，通过在 平整机上安装传感器，测试不同工艺参数、不同产品规格下平整机的振动，并摸 清了其规律，从而归纳了1 7 类振源和横振纹的关系。 最近，英国s h o t t o nw o r k s 开发并安装了一套冷轧过程振动在线监测系统， 较好地解决了振动问题。该厂由5 机架4 辊连轧机组，单机架4 辊平整机组和磨 辊三部分组成。早在7 0 年代后期，轧机出现了1 2 0 - 2 5 0 h z 范围内振动，经常断 带，当时只要遇到这种情况只有降速轧制。到了8 0 年代中期通过在支撑辊轴承 座安装液压衬板，对抑制1 2 0 2 5 0 h z 范围内振动取得了较好的效果。另一方面， 由于用户对表面质量要求的提高，使得对5 0 0 - 7 0 0 h z 范围内振动引起的横振纹 迫切需要解决。于是，他们采取了如下措施： a 进行实验模态分析( 用电液激振器) ，特别搞清了1 2 0 - 2 5 0 h z 范围内振 动时，机架、支撑辊、工作辊及轴承等的变形和相位。 b 实践表明1 2 0 3 5 0 h z 范围内的振动主要由机械振动引起，因此，他们将 工作辊的机械压紧改成液压压紧，又增加了支撑辊轴承座液压衬板：5 0 0 7 0 0 h z 范围内振动主要是由轴承或齿轮的缺陷引起。 c 在不同负荷下用大型击垂激励辊子5 0 0 7 0 0 h z 范围内振动的自然频率， 然后，根据g e r a l o ll 的理论，计算出避免5 0 0 7 0 0 h z 范围内振动的条件。 d 改进轧辊磨床的支撑，减小磨削振动。从而避免了在带钢表面形成的明 暗相间的条纹。 通过上述方法和措施，较好地抑制了1 2 0 2 5 0 h z 、5 0 0 7 0 0 h z 范围内的振动。 北京科技大学研究了轧机主传动系统与辊系共振系统自激振动的关系。燕山 东北太学硕士学位论文 第一章引言 大学针对冷带钢轧机的辊系垂赢振动进行了轧机系统稳定性的数值分析；合肥工 业大学研究了传动系统间隙和摩擦系数的随机性与轧机振动问题：中南工业大学 8 0 年代对1 6 0 0 高速轧机振动和产品表面出现条纹的问题进行了深入研究，近年 先后研究和解决了国内近十台套铝带，箔高速轧机的振动及表面质量问题。 另外，还有文献从磨辊、齿轮箱、辊偏心、润滑热失效、辊缝过润滑等方面 对轧机振动和振动纹进行了研究。 由此可见，带钢表面出现振痕与轧制工艺( 由压下量、轧制速度、张力、辊 面状态、辊缝润滑状态) 、设备状态( 如轴承的磨损、机械间隙、安装精度等) 、 控制系统( 电力驱动与控制系统、张力控制系统、液压压下系统) 等因素有关。 综上所述，我们发现，该领域国内研究有如下特点： 轧机振动以及由此产生的振动纹是可以抑制的，但振动性质与原因的判断应 根据轧机的具体工况条件、故障源等情况而定。 引起轧机振动的原因通常复杂，且振动类型呈现多样性，因此，振动纹的抑 制是一个世界性的难题。轧机上产生的振效很多情况上在理论上无法阐述，以致 轧机在实际发生振动时，无法指导来避免振动。 熟轧机、冷轧机、平整机的振动均有其各自的特点，很难用一种统一的机理 来阐述或处理实际里生产中出现的轧机振动问题。 要安全消除某些振源要么不切实际，要么成本太高，所以，很有必要建立一 套在线振动监测系统，尤其发生系统共振时可通过改变转速来避免其共振区。 振源有很多，集中在牌坊松动、轴承缺陷、联轴节缺陷、电气系统扰动。测 速发电机反馈不同步，辊子偏心、磨辊振动等。 1 2 平整机基本参数 1 2 1 平整机组示意图： c m 0 4 单机架平整机组是从西德s m s 公司引进，于1 9 8 8 年9 月在宝钢冷轧 厂正式投产使用，主要用于将在罩式炉内退火带卷及少数熟镀锌钢卷进行平整。 东北大学硕士学位论文第一章引言 图1 1 平整机组成示意图 f i g 1 1 s k e t c h g r a p ho f c o m p o s i t i o no f r o l l i n g m a c h i n e 1 2 2 工艺参数 1 2 2 1 轧件规格： 带钢宽度( m m ) 带钢厚度( m m ) 钢卷内径( m m ) 钢卷外径( r a m ) 钢卷重量( k g ) 9 0 0 1 8 5 0 o 3 3 5 m 6 1 0 0 1 2 0 0 2 4 7 0 4 5 0 0 0 1 2 2 2 速度控制范围： 轧制线速度： m a ) 【1 7 0 0m r a i n 正常速度： 1 5 0 0m r a i n 穿带速度： 5 1n f f m i n 用尾速度： 5 9m m i n 过焊缝速度： 1 7 0 3 0 0n g m i n 允许的最大轧制力：2 0 0 0 m p a 开卷机张力范围： 卷曲机张力范围： 延伸率范围： 6 。5 6 6 7 8 4k n速度：1 3 0 0m r a i n 9 8 8 3 3k n速度：1 7 0 0m m i n 0 5 2 1 常用延伸率：1 o 4 东北大学硕士学住论文第一章引言 1 2 3 平整机的设备技术参数： 工作辊直径： m a x6 2 5 m m ，m i n5 5 0 m m 工作辊辊身长度： 2 0 3 0m m 支撑辊直径：m a x1 5 5 0 m m ，m i n1 4 2 5 m m 支撑辊辊身长度： 2 0 3 0n l i n 工作辊轴承：铁姆肯轴承0 3 4 3 4 5 6 x 2 5 4 m m 四列圆锥滚子轴承或 s k f 3 3 0 6 6 1 c g b g 支撑辊轴承：5 4 ”- - 7 2 q c h 油膜轴承 机架立柱横断面： 5 9 0 0 c m 2 液压压下缸单位压力：2 6 0k g c m 2 液压缸工作行程： 1 5 0 m m 液压缸直径：4 8 0 0 m m 主传动功率： 开卷机：2 x s 0 0 k w 入口张力辊：上辊：i x 7 4 5 k w ；下辊：1 x 5 3 0 k w 平整机：2 x 1 0 8 5 k w 出口张力辊：上辊：1 x 7 4 5 k w ；下辊：1 x 5 3 0 k w 卷曲机：3 x 9 0 0 k w 1 2 4 测试分析仪器 1 2 4 1 振动测试、分析仪器 传感器：压电式加速度传感器 测振仪：m c v - - 0 6 1日本新日铁 磁带记录仪：日本t e a c 公司 快速付里叶变换分析仪：c f - - 9 2 0日本小野测器 打印机：c x 3 3 7日本小野测器 1 2 4 2 磨损测试、分析仪器 m o a 光谱分析仪：美国b a i r d 公司 双联分析式铁谱仪：美国s t a n d a r do i l 公司 东北丸学硕士学位论文第一章引言 r p d 旋转式铁谱仪：美国p r e d i c t b x 6 0 铁谱显微镜：日本o l y m p u s 公司 6 东北夫孝硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 第二章平整机的振动产生机理与信号分析 2 1 振动信号处理简介 2 1 1 振动信号处理的目的 在回转机械上采集到的振动信号都包含各种激励信号、响应信号在内的一种 复杂波形，能够用数学关系式来描述的信号被称为确定性信号，不能用明确的数 学关系式来描述。无法预测某任意时刻的精确值的信号称为随机信号。随机信号 只能用概率和统计来描述。 振动测试所得的信号往往是复杂的。有确定性信号，有随机信号。确定性信 号还可以进一步分为周期信号和非周期信号。随机信号也可分为平稳随机过程和 非平稳随机过程。总之，振动测试所测得的信号，往往是各种性质的信号混杂在 一起，如果不经过适当处理就取不到有用的信号，找不出事物的规律。为了得到 真实的、可靠的信号与诊断结果，以便能解决实际的问题，必须对振动信号作分 析和处理。悖 2 1 2 振动波形分析和频谱分析 振动信号处理中最重要和最基本的方法是波形分析和频谱分析。 2 i 2 1 波形分析 波形分析是大家熟知的，就是在时间域内的分析。如振动位移值、振动速度 值和振动加速度值，这些各自不同的物理量是相关的，它们都有一种共同的表现 形式，即在一定的观察点或条件下，随着时间的变化，其物理量都有一定的变化 轨迹。若把时间作为横坐标，各种物理量值作为纵坐标，便可以得到一种变化的 图形，就是我们所说的波形。各种不同形式的波形，不同程度地反应着观察点的 时变特征，从这种变化的图形中可以得到各种各样有用的信息，处理出所需要的 各种结果来。 波形分析一般指的就是对波形在时间域和幅值域里进行分析t 即各种物理量 的动态信号x ( t ) 是时间t 的函数。对x ( t ) 在时间域t 内进行分析。一个数轴代 7 东北大学颀士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 表时间，而另一个数轴代表某种物理量的幅值，它表示了动态信号的幅值和时间 的关系。通过分析，可给出各种量的幅值关系。如幅值的大小，幅值对时间的分 布，起始时间和持续时间，时间滞后，相位滞后，波形失真、波形冲击和冲击间 隔等等。 2 1 2 2 频谱分析 频谱分析是在频域内进行的分析，即以频率为横坐标，各种物理量为纵坐标。 在处理物理量的各种动态信号的波形及与之有关的数据等时间函数或序列 的时候，对于它们的频率成分需要有充分的了解。事物本身的许多特征都是与信 号的频率成分有直接关系。为了从时间函数中提出有用的信息，压制或滤波器滤 掉干扰信号，探求这些信息之间相互关系和规律，首先应分析信息和干扰的频率 成分，弄清哪些是共同的，哪些是不同的。然后根据信息的物理和力学特征，频 谱关系和频响函数，修正分析、处理得到的数据和波形，从而取得有用的信息， 掌握各种参量之间的相互关系和规律，所以对信号作频谱分析是非常必要的。 从另一个角度看，因为实际信号都比较复杂，直接对其时间函数进行分析和 处理常常有许多困难。为了克服这些困难，往往将一般的复杂信号展开成某种类 型的基本信号之和。被采用的这些基本信号必须是一些易于实现、分析和处理的 信号。当然最广泛的基本信号是正弦信号。将一个复杂信号展开成许多谐波( 即 正弦、余弦信号) 分量之和，而每个谐波分量可由其振幅和相位来表征。各种 谐波可以按其频率高低依次排列起来成为谱状，按照这样排列的各次谐波的总体 称为频谱。动态信号中所含的各次谐波幅度值的全体称为幅度谱。( 在f f t 分析 仪上称为线性谱) ，它表征动态信号中的幅值随频率的变化情况，而表达各次谐 波的能量( 或功率) 的全体称为能量谱( 功率谱) 。 2 1 2 3 波形分析与频谱分析之间的关系蝎 波形分析与频谱分析，通过付里叶变换，可以相互转换 f ( w ) = lx ( t ) e j w l d t 即) = 去f ( w ) 咖 下图能形象解释波形分析与频谱分析之间的关系。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 东北大学硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 图2 1 周期信号的波形与频谱对应关系 f i g 2 1c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r i o d i c a lw a v e f o r m a n d s p e c t n u n ( a ) 时域内的合成波形( b ) 频域内的幅值谱 ( c ) 频域内的相位谱( d ) 时域和频域的对应关系 即时间域内的一个复合周期波，应用付里叶级数的原理，对波形分析，得到 一次波、二次波等等。而在频谱分析中，也可用付里叶级数原理，求得复合 周期波形的各个频率的离散谱线，它们之间的关系是一致的。 上图直观地表示了从时间领域和频率领域来观察动态信号的有机联系。频域 和时域表明了动态信号的两个观察面，即这两个观察信号方法的角度不同。波形 分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系，频谱分析是以频率轴为坐标表示动 态信号的关系。时域表示较为形象和直观，频域表示动态信号则更简练，剖析问 题更加深刻和方便。不管怎样，时域分析和频域分析，它们之间是相互联系，缺 一不可，相辅相成的。 2 1 3 付里叶变换 付里叶变换是频谱分析的基础。 上述描述将一个复杂信号x ( t ) 展开成许多谐波分量之和就便于分析处理。 9 东北大学硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 x ( r ) = a o + a i8 i n ( w + p i ) + “2 s i n ( 2 w t + 妒2 ) + 。( 2 - 3 、 + 占ic o s ( w t + 仍) + 直2c o s ( 2 w t + 仍j + 这就是将x ( t ) ，作了付里叶正变换，展开成付里叶级数。 2 1 3 1 付里叶级数 在数学上任何一个周期函数f ( t ) ，都可以展开成付里叶级数 厂( f ) = 了a o +m w + 钆s i n 酬吁) ( 2 - 4 ) 妻( a n c o s 式中弧= 亭慝t 邝) 矾 = 手慝t ，( f ) c 。s 删腑 瓯= ；慝t ，( f ) s i n n 蝴 其中：w = 2 矿= 等 令：a 。= a 。s i n ，b 。= a 。c o s 伊代入上式得： x ( 0 = i a o + 以s i n ( n w t + 伊) ( 2 5 ) n = l 式中：a n 为付里叶级数的幅度谱值。 a 。：厢 纯为付里叶级数的相位角，即相位谱值。 旷喀? 甍 a 。为x ( t ) 在周期内的平均值或常数部分，也称为直流分量。公式中n = l 的 简谐波称为基波，其角频率w 称为基本频率，周期五：堡，：2 _ 2 ，因此， w ，m ， 用付里时级数法求频率谱值，实际上就是求式中的付里叶系数a o 、吒、b n 。为 了方便计算，利用欧拉公式： e p = c o s x + i s i n x 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章平整机的振动产生机理与信号分析 可将x ( t ) 的付里叶级数写成复数形式。 x ( r ) = c n e ；n w t g = ；点那矿删西 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 1 3 2 付里叶积分 对于非周期函数，可以看作周期为无穷大的周期函数，即t 一。，则 w ：警辛0 ，这时就变成连续谱，上面公式( 2 ) 中当t 一一时，c 。一o ， 则： f ( w ) = g t = x ( ，) p 一州d t ( 2 - 8 ) 这就是付里叶积分。f ( w ) 就是x ( t ) 的付里叶正变换，反过来： 即) = 击f ( w 矿州咖( 2 - 9 ) 也成立。x ( t ) 就是f ( w ) 的付里叶逆变换。 2 。1 。4 离散采样和时域截断悖 2 1 4 1 离散采样 离散采样的必要性：现场测试所得的动态信号都是模拟信号，不能直接输入 f f t 分析仪进行计算或信息处理，必须作模数转换，那么先要离散采样。因此， 快速付里叶变换仪即c f 9 2 0 分析仪中有一个“采样1 ：3 ”和一个“模数转换器”。 采样的好坏，直接关系到采样后的仪器是否能基本上代表离散采样前的模拟 信号。 什么叫离散采样? 东北大学硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 幅僵 奠弛：三监一一 图2 2 时域和频域内的付里叶变换采样 f i g 2 2 f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o ns a m p l i n gi nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n t 0 ：初瞬时 n ：采样点数 t ：为采样间隔 t ：记录长度 t = 玎f 离散采样序列就是模拟输入的时间信号进行连续的、按一定时间间隔取一系 列有限的数。采样信号取的数目规定为2 的倍数。这样更简单，更迅速地从时域 信号转换成频域信号。 2 1 4 2 采样与混频 由图2 2 可知，采样点数越多，则采样后的波形与原始波形之间的拟合程度 越好。但n 过大就会大大增加计算时间。而n 过小，则采样间隔过大，就会产生 “混频”。所谓混频，就是将一些高频分量经过不适当的采样，转换成频域中变 成低频的谱线。如例： 东北大学硕士学位论文 第二章平整机的振动产生机理与信号分析 图2 3“混频”信号 f i g 2 3 s i g n a lw i t hf r e q u e n c ym i x t u r e 如对一个5 h z 的正弦信号，以6 h z 的采样频率来进行采样的话，波形是 原始信号，波形是采样后的信号，可见采样后的信号频率成分是1 h z ，也就是 说，不适当的采样频率，采样后作频谱分析时，出现的不是5 h z 谱线，而是1 h z 的谱线，这就是出现混频现象。可以证明，若信号中最高频率成分为f o ，为了 1 避免混频现象，采样频率三) 2 工，即奈奎斯特频率，满足采样定律。在一些专用 f 1 分析仪上，二= 2 5 6 _ ，= _ 。 f 2 1 5 时间截断和泄漏旧 时间截断是对原始信号的第二步修正。 原始信号经过采样后，有许多的离散采样值，但计算机内储存量有限，它只 能计算有限个点，因此必须对时间序列进行截断，取得有限多的采样点。这就是 所谓加窗函数。但是，原来的信号被截断后，其频谱会发生畸变，原来集中在某 频率成分w 处的能量被分散了，产生了旁瓣，这种现象称为泄漏。加窗时间t 1 越大，产生泄漏越少，但这样会增加混频。因为r = f 而三= 2 5 6 工，当t 越 f 1 大，因n 为常数，则t 也越大，二越小，正= 2 5 6 r 也越小。这就是说，信号中 f 的最高频率成分f o 允许值变小，而实际信号中如果存在比f o 更高的频率成分时将 被错转换成频率低的谱线，从而增加了混频的机会。反过来为了减少混频的概率。 就要求t 小，这样r = n f 也小，t 变小的结果又会导致泄漏的增加。因此实际 东北大学硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 信号处理过程中，要根据的大小来合理选择窗长t 。在一些f f t 分析仪中， 依靠分析频率范围来选择窗长t 。这样选择的频率作为仪器的截止频率， 一1 ：2 5 6 正，t ：5 1 2 f 也就被固定下来。 f 2 2 工作辊轴承故障对平整机组的影响与信号分析 2 2 1 轴承故障产生机理：汜 任何情况下，即使滚动轴承在润滑、安装、设计上都是正确的，它也会因材 料的疲劳寿命而失效。一个承受负荷的轴承在运转过程中，在滚道和滚动体上会 产生周期性的应力，从而使轴承表面引起弹性曲服，这种曲服最终造成金属疲劳。 疲劳过程中，首先在滚动面上出现一块剥落，这种小剥落持续增长直到轴承完全 失效。总之，轴承失效的类型很多，主要是轴承误用、设计或润滑不良等造成， 但当这些轴承失效形成都不考虑时，所有在正常负荷下的滚动轴承仍会因材料疲 劳而损坏。剥落是疲劳失效的结果，它是我们技术检测的对象。 2 2 2 轴承故障信号的拾取 2 2 2 1 振动分析法 匦囵匦亟四回匝匝羿匦巫爵圃 振动诊断系统框图 其中测振仪包括包络解波功能；f f t 分析仪包括a d 转换，带通滤波、窗 函数等一系列信息处理功能。 当某个一阶谐振频率较高的传感器安装在工作辊的轴承座上时，传感器拾取 的原始信号是由机器噪声、辊子的偏心( 或辊子的不平衡) 、牌坊的间隙、轴承 故障信号等混合而成，关键在于如何把轴承失效信号从杂乱信号中分离出来。那 么，轴承失效而产生的振动是如何传递出来的昵? 一个带负载的滚动轴承的滚动 元件要承受轴的负荷，预加载荷等静负荷，同时还要承受动载荷。如摩擦力、张 力、延伸力对于给定的轴承，在稳定的转速和负荷状态下，所有的力是平衡的， 即合力为零。当一个滚动体接触一个故障时，滚动体发生一个很快的弹性变形， 从而产生一个瞬时的不平衡力。当一个带载的球碰到个剥落点时，它会有一个 东北大学硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 突然的负荷释放。当它碰到一个突出点，又有一个突然负荷增加。这种滚动体与 内外环的不规则相对运动就会引起脉冲性的振动，即“冲击脉冲”。其冲击的能 量会激起压电式加速度传感器的自振，利用其响应频率作为载波频率与轴承故障 频率产生调制。冲击能量的强度是脉冲振幅和重复率的函数。由此冲击引起的信 号就由加速度传感器测量并由独特的过滤和检波电路加以处理得出轴承各元件 的故障频率。 滚动轴承结构示意图： 图2 。4 滚动轴承结构不恿图”“ f i g 2 4 s k e t c h g r a p h o fs t r u c t u r eo f r o l l i n gb e a r i n g 轴承故障频率计算： 转轴的频率：五= 芸 内圈损伤频率：，= 三斫【l + 五d c 。s 口】 外圈损伤频率：工= 圭矾【1 一吾c 。s 口】 滚动体损伤频率：五= 等【l 一( 丢c o s 口) 2 】 东北走学硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 保持架损伤频率：= 丢，【1 一丢c o s 口 注：n ：转轴的转速转分 z ：滚动体个数 d ：转轴的节径 d ：滚动体直径 b ：滚动体接触角 2 2 2 2 磨损分析法 机械设备的故障是机械设备运行功能的失常丽发展到失效、损坏。机械零部 件的磨损失效是机械零件中最常见、最重要的形式。在机械设备里，由于金属表 面的相对运动产生大量的磨损颗粒不断进入润滑油中，加上空气或其它污染源进 入的污染颗粒，这些颗粒以油液为载体，呈悬浮状。经观察发现，这些颗粒的尺 寸范围通常在几十毫微米至几十微米，尽管这些颗粒尺寸极其微小，却提供了机 械设备失效和故障的重要信息。进一步的研究表明：颗粒的数量、尺寸与磨损速 率和严重程度之间；颗粒形态与磨损类型之间；磨损颗粒成份与系统摩擦副之间 存在着一定的对应关系。因此，采用有效的油液分析技术，可以获得机器磨损程 度、磨损类型及磨损部位等方面的信息。 应用油液监测技术，对使用油液中的颗粒进行采集、检测和分析，便可以在 不拆机的情况下，研究运行机器的磨损现象，监测和诊断机器磨损状态和故障原 因。特别是对低速回转机械( 如轧机) 及往复机械( 如压缩机) ，振动和噪音检 测技术难以获得判断，使用油液分析技术则是行之有效的方法。此外，在背景振 动复杂的机器上，它具有采样简便和分析结果不受工况条件影响的特点，因此， 在这类设备( 如港机、起重机等) 上应用油液监铡技术进行状态监测和故障诊断 则具有得天独厚的优越性。 目前，我们主要采用光谱和铁谱分析技术对减速机内齿轮和滚动轴承进行磨 损状态监测。 2 2 。2 21 光谱分析技术 光谱分析技术能够测定某种元素是否存在以及它的浓度，它能分析出尺寸在 1 6 东北犬学硕士学位论文 第二章平整机的振动产生机理与信号分析 亚微米至8 微米的颗粒的浓度。通常情况下，油液中元素浓度值的高低表示：1 ) 含有该元素的零件磨损量的大小；2 ) 含有该元素的油液添加剂的耗损多少；3 ) 进入油液的污染情况( 如砂粒、水、燃油等) 。对于各种机械，根据大量数据、 经过统计分析和对照验证，制定各元素浓度的最大允许值作为判断磨损状态的依 据( 有时由制造商提供) ，或者用相对比较的方法，对每台机器分析结果作出趋 势判别，并预测其未来。 2 2 2 2 2 铁谱分析技术 铁谱技术是借助磁场的作用将润滑油中的磨损颗粒与污染物分离开来，并使 其按照尺寸大小依次沉积在显微镜基片上，制成谱片，以供进一步观察分析，或 者按照尺寸大小依次沉积在一玻璃管壁上，通过光学方法进行定量检测。铁谱技 术通过对磨损颗粒的尺寸、形态及成份的分析，以获得有关运动摩擦副的磨损状 况和磨损机理的重要信息，对早期预报失效及故障诊断有着广泛的应用。 将光谱和铁谱技术结合起来，使磨损颗粒的定量分析和定性分析能够相互补 充，从而可以_ 大大提高铁谱监测技术的可靠性及扩大了其监测范围。 就我们前期所做的一些尝试看来，将振动分析与润滑油( 脂) 的磨粒分析结 合进行综合诊断是行之有效的，可以明显提高故障诊断的准确率。 1 7 东北大学硕士学位论文 第二章平整机的振动产生机理与信号分析 2 2 3 平整机工作辊轴承故障分析： 2 2 3 1 测试点布置及结构框图： 2 2 3 ，2 测试条件及基本参数： 目的：改变平整机的转速、轧制力、张力、弯辊力下降程度、液压衬片投入 与不投入对工作辊的垂直振动的影响。 对象：上、下工作辊，上、下支撑辊的垂直、水平方向振动值。 基本参数：工作辊号：4 7 1 4 7 2 ，轴承座号：3 0 5 3 0 8 ，其型号：s k f 3 3 0 6 6 1 c 辊径：6 0 7 ，1 0 6 0 7 1 5 ，凸度：0 0 5 ，粗糙度：9 0 - 1 3 0 支撑辊号：6 1 5 6 1 6 ，轴承座号：6 4 1 1 6 4 2 6 4 3 1 6 4 4 ， 其型号：5 4 ”- - 7 2 q c h ，辊径：1 5 4 7 9 0 1 5 4 8 1 0 2 2 3 3 测试数据 振动测试数据 东北大学硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 钢卷编号：3 9 8 2 9 ( 测振方向：h 一水平方向)液压衬板投入负载 工作辊号：4 7 1 4 7 2 ，轴承座号：3 0 5 3 0 8 ，辊径：6 0 7 1 0 6 0 7 1 5 ，凸度： o 0 5 ，粗糙度：9 0 1 3 0 ，支撑辊号：6 1 5 6 1 6 ，轴承座号：6 4 1 6 4 2 6 4 3 6 4 4 ， 辊径：1 5 4 7 9 0 1 5 4 8 1 0 测点测点测点测点 轧板线速度 张力轧制力振动值振动值振动值振动值 ( 米分) ( t o t a l s )( t o t a l s )( m m l s )( m m s ) 3 0 04 03 7 50 0 30 1 3o 1 80 0 8 3 0 03 63 7 50 0 3o 1 20 1 80 0 9 3 0 03 63 9 50 0 60 1 30 2 00 1 0 3 0 03 83 9 5o 0 60 1 30 2 0o 0 8 7 0 03 6 l3 80 2 20 2 00 3 60 1 3 7 0 0 3 84 00 2 50 2 3o 3 10 1 2 7 0 03 5 13 70 2 4 0 2 30 - 3 60 1 2 7 0 03 5 l3 7o 2 2 0 2 1o 3 60 1 3 3 5 03 53 8o 0 6 0 1 40 2 40 0 9 钢卷编号：3 9 8 3 0( 测振方向：h 一水平方向)液压衬板投入 负载 测点测点测点测点 轧板线速度 轧制防皱辊下 张力振动值振动值振动值振动值 ( 米，分)力 降 ( m m s )( m m s )( m m s )( m m s ) 9 2 33 74 4 10 2 2 o _ 3 60 4 80 1 5 9 2 33 74 4 l第一次o 2 6 o 3 80 5 4o 1 6 9 2 33 7 4 4 1 第二次 o 2 lo 3 4o 4 40 1 6 9 2 3 3 74 4 l 第三次 0 2 30 3 80 4 5 0 1 7 1 1 3 5 3 7 14 5 第三次 0 2 2 0 4 20 5 3 1 9 东北天学硕士学住论文 第二章平整机的振动产生机理与信号分析 钢卷编号：3 9 8 4 7( 测振方向：v 一垂直方向) 液压衬板投入负载 测点测点 测点测点 轧板线速度 轧制 防皱辊下 张力振动值振动值振动值 振动值 ( 米分)力 降 ( m m s )( m m s ) ( m m s )( m m s ) 5 13 6 31 6 0 0 7 01 2 0 1 5o 0 8 3 0 03 6 3 2 5 3 0 1 00 ，1 30 2 7o 1 0 7 0 04 3 33 2 3o 1 10 2 lo 2 3 0 ，1 3 7 0 0 4 3 3 3 2 3第一次0 1 l0 1 50 2 60 1 3 7 0 03 7 53 4 7 第二次0 1 30 1 30 3 1o 1 3 7 0 03 7 53 4 7第三次0 1 20 1 40 3 5o 1 4 钢卷编号：3 9 8 8 7( 测振方向：v 一垂直方向)液压衬板投入负载 测点测点测点测点 轧板线速度 张力轧制力振动值振动值振动值振动值 ( 米份) ( m m s )( m m $ )( r a m s )( “吣) 7 0 03 1 72 6 5o 1 50 1 10 1 80 1 l 7 0 03 1 73 0 50 1 3 0 1 0 o 1 80 1 4 8 0 23 1 73 0 50 1 4o 1 00 1 8o 1 7 9 0 43 3 7 32 50 2 2 o 1 3o 2 00 2 1 9 1 63 4 7 2 7 0o 2 90 1 6o 2 4 0 2 5 1 0 1 83 4 72 9 70 2 5o 1 50 2 40 2 5 1 1 8 33 4 72 9 7 0 3 20 1 7 0 3 4 0 2 7 以上数据声明：随着轧钢板的线速度的上升，各测点的垂直、水平振动值有 不同程度增加。轧制力、张力的改变对各测点的振动值影响不大。 东北大学硕士学位论文第二章平整机的振动产生机理与信号分析 2 2 3 4 轴承故障信号分析： 当工作辊的转速信号a t = 2 5 4 6 9 m s 时，其转速 ”= 击6 0 = 西蒜= 2 3 5 6 转分 时，其转 轴 频 率 f r = 石1 = 蕊1 “3 9 3 h z i 对，见下图： 5 0 9 h z 稳：q c 2 v b ：r c o r o , h vi n s i o 1 6 转g 信 2 6 4 田- m 0 ( j 1 v 0 上工作辊v p 臀rs rb l ! k5 啦口h ? 7 。馏i l zo a e - - b m v r ，t 巾 一 、0 1 f ：、f c 、 z 图2 5( a ) 下工作辊转速信号 ( b ) 下工作辊垂直方向振动信号频域谱 ( c ) 上工作辊垂直方向振动信号频域谱 f i g 2 5 ( a ) s p e e ds i g n a lo f l o w e rw o r k - r o l l ( b ) s p e c t r u m o f v e r t i c a ld i r e c t i o nv i b r a t i o no f l o w e rw o r k r o l l ( c ) s p e c t r u mo f v e r t i c a ld i r e c t i o nv i b r a t i o no f u p p e r w o r k - r o l l 2 l 东北大学硕士学位论文第二幸平整机的振动产生机理与信号分析 由于工作辊的轴承型号为s k f 3 3 0 6 6 1 b g ，其特征故障频率为 厶- - - - 1 7 7 2 8 2 一= 1 7 7 2 8 2 3 9 3 2 6 9 6 7 h z ，内= 2 0 2 7 1 8 xf = 2 0 2 7 1 8 x 3 9 3w7 9 6 9 h z 厂螭= 7 0 9 1 8 3 x 工= 7 。0 9 1 8 3 x 3 9 3 z2 7 8 7 - z 矗= 0 4 6 6 5 3 x ，= o 4 6 6 5 3 3 9 3 =