本钢1700机组R2架轧机主减速机滚动轴承的故障诊断研究硕士学位论文.docx
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本钢1700机组R2架轧机主减速机滚动轴承的故障诊断研究硕士学位论文
专业学位硕士学位论文
本钢1700机组R2架轧机主减速机滚动轴承的故障诊断研究
TheStudyonFaultDiagnosisforRollingBearingsofGearboxofNo.2RoughingMillin1700RollingLineofBXSteelGroup
大连理工大学
DalianUniversityofTechnology
独创性说明
作者郑重声明:
本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日期:
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
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日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
摘要
本钢1700mm热带钢连轧机组(文中简称本钢1700机组)是80年代初我国自行设计的热带钢连轧机组,在引进西方先进技术进行设备改造后,年产能力提升到400万吨。
1700机组的轧钢系统由3架粗轧轧机及7架连续式精轧轧机组成。
该系统的设备能否正常运行,将直接影响本钢的经济效益。
但自2002年起,第2架粗轧轧机(R2轧机)主减速机的滚动轴承频繁损坏,造成了巨大的经济损失。
为此,本文开展了1700机组R2架轧机主减速机滚动轴承故障诊断方法的研究。
首先,分析了滚动轴承的故障特征。
其次,详细介绍了振动信号分析时提取故障特征各种方法—诸如时域分析方法、相关分析方法、共振解调分析方法、相关解调分析方法、功率谱分析方法、倒频谱分析方法及小波变换方法等,并对以上各种方法进行了分析比较。
此后,针对R2架轧机主减速机滚动轴承的典型故障特征,结合现有故障诊断设备及1700机组生产的实际情况,采用时域分析与频谱分析相结合的诊断方法,对1700机组R2架轧机主减速机的滚动轴承进行了故障诊断。
最后,找出了该滚动轴承故障频繁的原因,即滚动轴承所处的位置承受的轴向力较大,转轴存在较大的轴向窜动,轴向窜动致使转轴轴肩频繁地碰撞保持架,致使滚动轴承保持架频繁损坏。
在此基础上,采取了适当减小滚动轴承保持架宽度,增大转轴轴肩与保持架间间隙的改进措施,大大地降低了滚动轴承的故障频率,取得了良好的经济效益。
关键词:
R2架轧机;滚动轴承;频谱分析;故障诊断
TheStudyonFaultDiagnosisforRollingBearingsofGearboxofR2RoughingMillin1700RollingLineofBXSTEELGroup
Abstract
The1700hotstripmillgroupofBXSteel(inthispaper,itistheshortenedformofthe1700RollingmillofBXSteel)isdesignedbyourcountryintheearly1980s,theprocessingcapacityhascometo400millontonsaftertheretrofittingwiththewesternmoderntechnologies.Thesystemiscomposedof3roughingmillsand7stripaccuratemills.Itsrunningstatesdirectlyinfluencetheeconomicalbenefits.Unfortunately,after2002,therollingbearingsofthemaingearboxinthesecondroughingmills(R2roughingmill)areatfaultfrequentlyandleadtogreateconomicloss.
ThereforethispaperfocusesonthefaultdiagnosisforrollingbearingsofthemaingearboxofR2RoughingMillin1700RollingLineofBX.Firstofall,itanalyzesthecharacteristicofthefaults.Secondlyitparticularlyintroducesthemethods(suchasthetimedomainanalysismethod,correlationanalysismethod,resonancedemodulationmethod,correlationdemodulationmethod,powerspectrummethod,inversefrequencyspectrummethod,wavetransformmethodandsoon)whenextractingthefaultcharacteristicfromthevibrationsignalanalysis,andcomparethemethods.Then,aimingatthetypicalfaultsofrollingbearingsinspeedreducerofR2Roughingmill,consideringtheequipmentdiagnosisinexistenceandtherealstateof1700millgroup,itadoptsthedomainanalysisandfrequencyspectrumanalysistoanalyzethefaults.Intheend,thereasonoftherollingbearingfaultisjustthattheplaceinwhichrollingbearingbearsthebiggeraxesforcesandrollingaxeshasbiggeraxeschangeswhichleadstotheaxesshouldercollidesholdingrack.
Onthisbase,thepaperhasproperlyreducedthewidthoftheholdingrackoftherollingbearingandincreasedtheclearancebetweenaxesshoulderandholdingrack.Asaresultthefaulttimesaredecreasedandthusbettereconomicalbenefitshaveachieved.
KeyWords:
R2Roughingmill;RollerBearing;FrequencySpectrumAnalysis;FaultDiagnosis
1绪论
1.1滚动轴承故障诊断的意义及内容
现代机械设备的重要组成部分是传动系统,它包括动力机械和传动机械。
在传动机械的各种故障中,滚动轴承故障占有相当大的比例。
据有关统计资料显示,机械设备的故障中70%是振动故障,而振动故障中的70%是由轴承和齿轮引起的故障。
这是因为滚动轴承是机械设备中工作条件最为恶劣的部件,它们在机械设备中起着承受载荷、传递载荷的重要作用。
其运行状态直接影响到整台机器的性能优劣。
滚动轴承故障所造成的机械设备损坏,进而引发灾难性事故、造成重大经济损失的事例不胜枚举[1-3]。
与其他机械零部件相比,滚动轴承有一个很大的特点,其寿命离散性很大。
有些轴承虽已超过其设计寿命却依然完好地工作,而有的轴承远未达到其设计寿命就出现各种故障。
所以滚动轴承的故障诊断方法,一直是机械故障诊断中重点研究发展的技术之一。
滚动轴承故障的准确诊断可以减少或杜绝事故的发生,最大限度地发挥轴承的工作潜力,节约开支;最大限度地提高机械设备的可靠性,进而提高机械设备的使用率。
[4]
因此滚动轴承的故障诊断要识别滚动轴承的运行状态,研究其运行状态的变化在诊断信息中的反映。
其内容包括运行状态识别、故障预测及故障监测等,概括为以下五个方面[4-6]:
(1)信号测取:
根据滚动轴承的工作情况,选择并采集能够反映滚动轴承工作情况或状态的信号。
(2)特征提取:
从采集的状态信号中以一定的信号分析与处理方法提取出能够反映轴承状态的特征信息。
;
(3)状态识别:
根据特征信息,以一定的状态识别方法识别滚动轴承的状态,识别滚动轴承有无故障。
(4)诊断分析:
根据滚动轴承运行时的征兆及故障,进一步分析有关状态的情况及发展趋势。
当轴承故障时,进一步分析故障部位、类型、产生原因及发展趋势等。
(5)决策干预:
根据滚动轴承的故障及发展趋势,做出评价及决策,具体包括控制、调整、维修、监测等措施。
1.2国内外研究的现状与发展趋势
滚动轴承的故障诊断在国外大约起始于20世纪60年代。
在随后的几十年的发展中,诊断方法不断地产生、发展、完善,应用领域不断地扩大,诊断有效性不断地提高。
总体来说,滚动轴承故障诊断的发展经历如下几个阶段[6、7]:
第一阶段:
利用通用的频谱分析仪诊断滚动轴承故障。
20世纪60年代中期,由于快速傅立叶变换技术(FFT)的出现和发展,振动信号的频谱分析得到了很大的发展。
人们根据对滚动轴承元件损伤时产生的振动信号特征频率的计算和采用频谱分析仪实际分析得到的结果,进行比较来判断滚动轴承是否存在故障。
第二阶段:
利用冲击脉冲技术诊断滚动轴承故障。
在60年代末期,首先由瑞典SPM仪器公司开发出冲击脉冲计,根据冲击脉冲的最大幅值来诊断滚动轴承故障。
这种方法能比较有效地检测到滚动轴承的早期损伤类故障。
第三阶段:
利用共振解调技术诊断滚动轴承故障。
1974年,美国波音公司的D.R.Harting发明了一项称为“共振解调分析系统”的专利技术[9]。
共振解调技术与冲击脉冲技术相比,对轴承早期损伤类故障的诊断更为有效。
共振解调技术不但能诊断出轴承是否存在故障,而且可以判断出故障发生在那个元件上以及评估故障的严重程度。
第四阶段:
研发以微机为中心的滚动轴承监测与诊断系统。
20世纪90年代以来,随着微机技术迅猛发展,研发以微机为中心的滚动轴承监测与诊断系统引起了国内外专家学者的重视。
微机信号分析监测与故障诊断系统具有灵活性高、适应性强、易于维护和升级的特点,便于推广应用。
随着信号检测技术、计算机技术、数字信号处理技术、人工智能技术的迅速发展,滚动轴承故障诊断已经成为融合数学、物理、力学等自然学科和计算机技术、数字信号处理技术、人工智能技术的综合性学科。
与传统的诊断方法相比,目前的研究方向主要集中在以下几个方面[9-14]:
(1)小波变换
从80年代后期开始,作为应用数学的一个分支,小波变换得到了迅速地发展。
由于小波变换在时域、频域的局部化和可变时频窗方面的特点,与传统的傅立叶变换相比,小波变换更适于分析非稳态信号。
滚动轴承的损伤信号是典型的非稳态信号,所以用小波变换处理滚动轴承振动信号,可更为有效地获得故障特征信息。
(2)专家系统
近年来随着人工智能技术的发展,专家系统技术得到了迅速地发展。
专家系统就是一个智能化的计算机程序,它能够模拟专家在处理问题时的一些推理方法,利用已有的知识和经验建立模型、解决问题。
专家系统技术应用于故障诊断领域可使滚动轴承诊断分析和决策更加准确可靠。
(3)模糊诊断
由于在滚动轴承诊断信号中,故障特征振动与故障类型不存在绝对的对应关系,一种故障可能引起多种特征,而一种故障特征可能对应多类故障,因而近年来,模糊理论被引进到滚动轴承故障诊断领域。
滚动轴承故障模糊诊断中的概念是模糊概念,可以用模糊集合来表示,而模糊变换运算是用来讨论模糊判断和推理的。
(4)神经网络
滚动轴承故障诊断的目的,是从故障定位到故障定性,进而确定故障程度。
由于神经网络具有处理复杂多模式及进行联想、推理和记忆的功能,因而近年来在故障诊断领域引起广泛的研究。
1.3论文主要研究内容
.1.3.1课题背景
本文以本钢热轧厂1700mm热带钢连轧机组R2架轧机主减速机滚动轴承故障诊断为研究背景(R2架轧机又称第2架粗轧轧机)。
本钢1700mm热带钢连轧机组,原设计能力为年产159万吨热轧卷板,后经引进德国、美国等国家的自动宽度控制、连续可变凸度控制、液压弯辊技术、轧辊横移技术、液压自动厚度控制、液压踏步控制式卷曲机、计算机控制系统、层流冷却控制等八项世界最先进的技术,使这套国产轧机得到了脱胎换骨的改造。
影响产品质量与品种规格的关键设备达到国际一流水平,轧机年产能力达到400万吨,产品规格组距进一步拓宽,不仅为冷轧机组提供优质原料,还可以直接轧制具有高附加值、高技术含量的国内市场短缺品种。
目前,低合金钢、耐蚀钢、家电用钢、汽车深冲钢等高附加值、高技术含量产品约占总产量的70%左右。
本钢1700mm热带钢连轧机组的轧钢系统由粗轧机组(含3架粗轧机)、精轧机组(7架连续式精轧机)组成。
本钢1700mm机组是本钢的关键设备之一,该设备能否正常运行直接影响本钢的经济效益。
但自2002年起,R2架轧机主减速机滚动轴承频繁损坏,主要损坏部位是保持架。
如2002年6月7日R2架轧机主减速机Ⅰ段轴轧机侧滚动轴承保持架破碎,停机3小时更换轴承;2002年7月26日R2架轧机主减速机Ⅰ段轴向轧机侧窜出,轴承整体破碎,将Ⅱ段轴齿轮打断,甩架32小时更换齿轮;2003年3月7日R2架轧机主减速机Ⅲ段轴轧机侧滚动轴承卡环,甩架3小时更换轴承等等。
据不完全统计,仅2002年6月至2003年3月这8个月,所造成的停机、甩架时间累计达55小时,造成的直接经济损失合计约为220万元,造成的间接经济损失(如上道工序连铸机组生产的板坯将积压并需二次使用加热炉重复加热,造成能源浪费、增加生产成本;下道工序冷轧机组无料停产等等)更是无法估量的。
由此可见,应用本钢现有的故障诊断设备针对1700mm热带钢连轧机组R2架轧机主减速机滚动轴承开展设备诊断工作,迅速地解决这一现场生产实际问题是非常必要的。
.1.3.2论文主要内容
首先,分析滚动轴承的故障特征,介绍滚动轴承的失效形式、振动类型及故障特征;其次,着重介绍滚动轴承信号分析及故障诊断的方法,并对各种分析方法的特点进行比较,结合现有的设备诊断手段及现场实际情况来选择适合的信号分析方法;再次,拟应用现有的以CRAS信号采集及数据处理系统为主的诊断设备对R2架轧机主减速机滚动轴承进行故障诊断,分析其故障特征,力求找出故障频繁发生的根本原因并提出解决方法,在短期内予以解决;随后,拟对R2架轧机主减速机滚动轴承进行理化检验,分析轴承自身是否存在质量问题;最后,总结以上工作,得出本文结论。
2滚动轴承的故障特征分析
2.1概述
滚动轴承是传动机械的主要基本部件之一。
它具有传动效率高、磨擦阻力小、装配方便、易于润滑的优点,在各类机械上应用极为普遍。
滚动轴承在正常工作情况下,由于受到载荷、安装、润滑状态等因素的影响,运转一段时间后将会产生各种类型的失效。
因此滚动轴承是传动机械中最为薄弱的的环节。
滚动轴承的监测与诊断一直是机械故障诊断技术中的重要内容。
由于设计不当、加工或安装工艺不佳、轴承工作条件恶劣如润滑不良、冲击载荷作用等原因,使滚动轴承在运转一段时间后会产生各种各样的缺陷,并且在设备继续运行中其缺陷还会进一步扩展,使滚动轴承状态劣化以至完全失效。
滚动轴承的失效形式可分为磨损、剥落、压痕及胶合等等。
滚动轴承的故障大部分可归结为表面劣化,从而使振动加剧。
其振动特征表现为在振动信号中存在着冲击脉冲。
时域中,冲击使信号的均值、方差和高阶矩发生变化;在频域中,信号的高频成分明显增多,信号的能量分布发生变化。
2.2滚动轴承失效的基本形式
2.2.1滚动轴承的磨损失效
磨损是滚动轴承最常见的一种失效形式,轴承的滚道、滚动体、保持架、座孔或安装轴承的轴颈,由于机械原因或润滑杂质引起的表面磨损。
在工作环境恶劣的情况下,许多杂质会混杂在润滑油中,进入轴承,从而在滚动体及滚道上产生磨料磨损,在滚动体和滚道上出现不均匀的划痕。
磨料的存在,是轴承磨损的基本原因。
磨损故障经历时间较长,是一种渐变性故障。
轴承表面磨损后产生的振动同正常轴承的诊断具有相同的性质,随机性较强。
但磨损后振动幅值明显高于正常轴承。
2.2.2滚动轴承的疲劳失效
疲劳是滚动轴承的另一种失效形式,常表现为滚动体或滚道的表面剥落。
初期在表面上形成不规则的凹坑,以后逐渐延伸成片。
滚动轴承在工作时,由于滚动体与内外圈接触面积小,因而接触应力很大。
在高速旋转时,由于巨大的交变接触应力多次反复作用,轴承元件金属表面就会产生疲劳,产生剥落,形成小凹坑。
载荷引起的交变应力是剥落的主要原因,润滑不良或强迫安装是剥落的次要原因。
2.2.3滚动轴承的腐蚀失效
湿气或水分浸入轴承或所用润滑油质量低劣,会在轴承表面形成腐蚀。
轴承表面的腐蚀是由下面三种原因造成的:
一是润滑油水分或湿气的腐蚀;二是电腐蚀;三是微震腐蚀。
2.2.4滚动轴承的断裂失效
轴承零件的破裂与断裂主要是由磨削或热处理引起的,也有的是由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不善,导致轴承某个元件局部应力集中,产生裂纹,进而断裂。
2.2.5滚动轴承的压痕失效
压痕的产生是由于轴承过载、受撞击或异物进入滚道内使得滚动体或滚道表面上产生局部变形而出现凹坑。
其原因主要是装配不当,有时也可能是过载或受撞击引起的。
2.2.6滚动轴承的胶合失效
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