棒材轧机主传动系统振动故障诊断与消除

杜剑清 闫 瑾

(北京中冶设备研究设计总院有限公司 北京100029)

1 概述

某棒材生产线共有20 架轧机，第20 架是平立可换轧机，一般情况下处于立辊工作状态。其传动系统如图1 所示，传动速比i=Z7/Z8 =52/63 =1.2。

图1 轧机主传动示意图

该轧机调试时在一定转速下发生了较大振动，振动位置在立辊减速分配箱以后的设备系统与立辊减速分配箱所处的平台基础。为消除故障开展了测试分析与改造，取得了良好效果。

2 振动测试与分析

2.1 振动测试

测试系统由加速度传感器、振动信号采集处理仪与数据处理软件组成。

将生产线方向定为“X”方向，与其垂直方向定为“Y”方向，沿传动轴方向定为“A”方向。根据振动发生的特点选择测点:3X:3#轴X 方向振动(见图2);3Y:3#轴Y 方向振动;3A:3#轴A 方向振动;2X:2#轴X 方向振动;2A:2#轴A 方向振动;GA:立辊减速分配箱底座A 方向振动(见图3)。在不指明单位的情况下，振动值是指振动速度有效值(振动烈度)，单位mm/s。

进行了多转速振动测试，主电机转速(r/min)分别为:600，700，750，800，850，900，1000，1050，1100，1200，有关转速与转频列于表1。

2.2 测试结果与分析

图4 是700r/min 工况3X 测点的速度频谱，最高谱峰发生在9.5Hz，对应输出轴转频，振值为13.37，通频振值为16.1mm/s。图5 是700r/min 工况3X 测点的加速度波形，其特征是等间隔冲击，冲击周期约为0.1s，与速度频谱主峰9.5Hz 对应。图6 是700r/min 工况3Y 测点的速度频谱，最高谱峰发生在9. 5Hz，对应输出轴转频，振值为4.27，通频振值为5。以上数据表明，在700r/min 工况下，设备发生了较大振动，振动频率是输出轴转频，X 方向振动远大于Y 方向振动，这些均与现场的感觉一致。最大通频振值为16.1mm/s。

表1 轧机转速与转频

将发生较大振动的测试结果列于表2。

图2 3 轴X 方向测点安装图

图3 立辊减速分配箱底座测点安装图

图4 700r/min 3X 测点的速度频谱

图5 700r/min 3X 测点的加速度波形

图7 是3 轴X 方向振动随转速变化趋势图，其特征是:在主电机700r/min 与1200r/min 时，先后出现两次较大峰值，对应频率是输出轴转频。从振值随转速变化特征判断，在该两处频率附近，发生了设备与基础的共振。振型表现为测点处X 方向振动，对于立辊基础而言，先后发生了X 方向的一阶与二阶弯曲共振。相对于一阶共振，二阶共振需要更大能量，在基础的垂直方向上应该存在一个X方向的振型节点，现场感觉与一阶振动具有明显不同的特征。

表2 振动测试部分结果

图8 是3 轴Y 方向振动随转速变化趋势图，其特征是:在主电机800r/min 时，振动出现较大峰值，对应频率是输出轴转频。表明在该频率附近，设备与基础发生了共振。振型表现为测点处Y 方向振动，对于立辊基础而言，发生了Y 方向的弯曲共振。

图6 700r/min 3Y 测点的速度频谱

图7 3 轴X 方向振动趋势图

图8 3 轴Y 方向振动趋势图

对于其它测点的振动特征分析，证明均为同源振动，从振值大小判断，振动首先发生在3 轴，再向2 轴传递。对于三维结构的立辊减速分配箱基础，判断9.5Hz 接近其一阶固有频率，振型为X 方向一阶弯曲振动，11Hz 接近其二阶固有频率，振型为Y 方向一阶弯曲振动，16.5Hz 接近其三阶固有频率，振型为X 方向二阶弯曲振动。前两阶固有频率接近是由于四根立柱在两个方向上基本相同，弯曲刚度比较接近。所有较大振动的主要成份均为输出轴转频，说明输出轴系的不平衡是振动发生的起因。

3 故障消除

针对以上分析，从基础与设备两方面进行改造。在满足维修空间的前提下，对基础立柱采取了横向加固措施，提高基础结构的双向弯曲刚度，其作用在于提高固有频率。对轧机更换了重新制造并经过动平衡的万向接轴，消除了安装缺陷，其作用在于消除振动源或减弱振源强度。

经过以上改造，进行了相同条件下的振动测试，测试时按照轧辊处于上槽位置(万向接轴花键联接处于最长)与轧辊处于下槽位置(万向接轴花键联接处于最短)两种工况进行测试。结果表明，转速相同时，上槽工况的振动大于下槽工况，原因是较长的传动轴具有较低的刚度。

图9 是上槽工况3X 测点振动趋势图，该图表明，在全部转速范围内，没有明显的共振，振动值总体水平均不高，最大通频振值为4.2，发生在1100r/min 附近，对应频率是加固后的一阶弯曲固有频率，说明加固的结果使基础一阶固有频率提高50%以上。

图10 是上槽工况3Y 测点振动趋势图，与图9 对比可知，在全部转速范围内，Y 方向振动低于X 方向振动，最大通频振值为2.8，也发生在1100r/min 附近。

其它测点的振动水平均较低。

图9 上槽工况3X 测点振动趋势图

图10 上槽工况3Y 测点振动趋势图

综上所述，与改造前相比，一阶固有频率提高了50%以上，在全部转速范围内，未发现其它固有频率。更换动平衡后的接轴，消除设备缺陷，使设备振源基本消除，从而在1100r/min 附近，共振不再加大，绝对振动值处于较低水平。

4 结论

经过振动测试与分析，准确判断出振源与基础固有特性，经过基础与设备两方面的改造，消除了过大的振动，效果显著。对类似设备的设计安装具有借鉴意义。

［1］黄文虎等. 设备故障诊断原理、技术及应用. 北京:科学出版社，1997.

［2］卢文祥. 机械制造中的测试技术. 北京:机械工业出版社，1981.

［3］清华大学工程力学系，机械振动(上册). 北京:机械工业出版社，1980.