淺談軋鋼機械的振動監(jiān)測與故障維護

王永璽

摘要 本文主要介紹了軋鋼機械設備的故障監(jiān)測與維護方法，以振動故障的特征數(shù)據(jù)及診斷標準為根本，提出了一系列信號采集和信號分析的新方法，旨在為軋鋼機械設備的維修提供更準確快捷的方法。

隨著科技的進步，現(xiàn)在大部分的鋼鐵企業(yè)連軋生產(chǎn)線上所使用的軋機都具備精密度高、安裝較復雜等特點，這就無形對技術人員，維護人員等的水平提出了挑戰(zhàn)。為了能更準確快速的維護和檢修軋鋼的機械設備，我們可以對軋機的重點部位進行動態(tài)振動監(jiān)測，采集其振動故障的相關數(shù)據(jù)及信號，對其進行分析判斷，方便以后出現(xiàn)故障時，能更好的、快速的進行維修。

1 振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的基本結構

一般一套完整的故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)是由多個數(shù)據(jù)傳感器、智能采數(shù)器、一個數(shù)據(jù)服務器、工程師站以相關的監(jiān)測和故障診斷軟件組成的，其中主要對一些主要機器進行監(jiān)測，如軋鋼中所用到的各類減速機、軋機的齒輪座以及加熱風機等等。其具有數(shù)據(jù)采集和儲存、動態(tài)監(jiān)測、信號分析和智能故障診斷等功能。其工作流程為：首先將安裝在軋鋼機器上的渦流傳感器和加速度傳感器輸出的電信號通過數(shù)據(jù)采集箱轉換為數(shù)字信號；其次通過網(wǎng)絡通信，將所有采集的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)服務器上，以保證數(shù)據(jù)的完整；最后通過工程師站對數(shù)據(jù)進行整理分析，進而對故障進行診斷。

2.振動故障的判斷標準

判斷軋鋼機械是否發(fā)生振動故障，主要有三種標準，即故障類比、故障定量評判標準以及相對判斷標準，而導致軋鋼機械出現(xiàn)振動故障的原因有很多，所以對其物理現(xiàn)象進行準確的評判比較困難。一般來說，影響軋鋼機械故障的判斷因素主要有：軋鋼機械的軸承種類、機械工作狀態(tài)的轉變、工作轉速、振動故障的類型、傳感器的安裝部位等等。由此，我們可以得出一個結論，構造出較科學精密的故障判斷標準是很困難的，所以在振動診斷標準的構建中，除了一些定量標準，還需要引入一些動態(tài)相對標準。其具體來說就是，采集不同時間段對各個相同位置的測試數(shù)據(jù)，以同樣的方法，同樣的環(huán)境定量測量所得的測試數(shù)據(jù)，用它們和正常狀態(tài)下的工作數(shù)值進行對比分析，來以此判斷是否出現(xiàn)故障以及故障程度。

3.振動故障的特征數(shù)據(jù)

一般來講，軋鋼機械的振動信號主要是由齒輪和滾動軸產(chǎn)生的，由于信號量大，傳遞途徑比較復雜，并且受轉速、負荷、工況不穩(wěn)定等因素的影響，分析過程也較復雜，所以就要求工作人員要有豐富的專業(yè)知識，以及一定的工作經(jīng)驗，才能對特征數(shù)據(jù)進行很好的分析。由此可以看出，對軋鋼機械進行故障診斷，除了對一般的波形和頻譜分析外，對特征數(shù)據(jù)的計算分析也十分重要，只有通過對這些特征數(shù)據(jù)進行分析，才能得出不同振動故障的典型特征。我們可以運用數(shù)學公式，建立一個坐標系，橫軸為時域方面，主要反映波形曲線特征的振動峰值、平均值、有效值、波峰因子和歪度等等；縱軸為頻域方面，主要反映頻譜統(tǒng)計特征的中心頻率、均方頻率等，以及反映故障特征頻率的軸頻及其倍頻、齒輪嚙合頻率及其倍頻、軸頻與滾動軸承的通過頻率等，進行分析計算。總之，故障診斷的關鍵就在于如何在復雜的環(huán)境中來提取有效數(shù)據(jù)，并把這些故障特征數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)進行對比分析，從而發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生故障數(shù)據(jù)的原因。

4.故障數(shù)據(jù)的采集

從故障診斷的需要來說，采樣數(shù)據(jù)是越長越好，越多越好，不同部位不同對待，一般有以下幾種情況，

（1） 軸承應該每三個月進行一次監(jiān)測；

（2） 對關鍵設備以及重負荷的軸承應該加大監(jiān)測頻率，每周至少監(jiān)測3次；

（3） 如遇到軸承運行數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時，應加大測量力度；

（4） 對受損軸承、狀態(tài)不佳軸承，也應該加強監(jiān)控，直至換新的軸承。

不過一般從實際情況來看，由于快速傅里葉變換需要的時間與采樣數(shù)據(jù)大小呈指數(shù)增加，并且會大量占用數(shù)據(jù)存儲空間，這樣會影響到軋鋼機械的工作效率，所以確定每組原始采樣數(shù)據(jù)長度為2048點較為合適，基本可以覆蓋上述特征頻率分布。數(shù)據(jù)的采集由鍵相信號完成，分為自動鍵相和手動鍵相。對于裝有轉速/鍵相的主軸，采用自動鍵相，數(shù)據(jù)采集為整周期采樣方式，沒轉采樣數(shù)據(jù)長度為2048點，這樣可以避免數(shù)據(jù)嚴重失真的“旁瓣”效應，可以得到準確的軸頻及其倍頻成分。對于不能安裝轉速/鍵相的設備，采用人工鍵相，根據(jù)設備的實際轉速，通過人工設置每塊振動采集板的采樣頻率，以保證在數(shù)據(jù)長度不變的情況下，利用信號分析技術得到所需的故障頻率，頻率分析的上下跟隨著人工設置的采樣頻率改變。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以將采集的數(shù)據(jù)按照不同形式進行存儲到數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)小到每小時的數(shù)據(jù)，大到每年的數(shù)據(jù)，以及變轉速數(shù)據(jù)，原始比較數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)等等。其中，原始比較數(shù)據(jù)庫儲存設備第一次啟動或維護后啟動的數(shù)據(jù)，就為將來設備出現(xiàn)異常時作為對比分析的參照基準。還有特征數(shù)據(jù)庫經(jīng)過處理的波形和頻譜的特征數(shù)據(jù)，則作為以后系統(tǒng)進行故障自我診斷的根據(jù)。

5.振動信號的分析

軋鋼機械振動故障的信號分析方法主要有以下幾種。

（1） 時域分析：主要是指對故障波形及其特征參數(shù)、趨勢分析和對比分析；

（2） 頻域分析：主要是指頻譜及其特征參數(shù)、細化譜、倒頻譜、包絡分析、瀑布圖等；

（3） 時頻分析：主要指小波變換。

由此可見，診斷軋鋼機械振動故障，主要是利用波形和頻譜等特征數(shù)據(jù)，如磨損后有效值增大、沖擊時波峰因子增大等。

6.結語

基于振動監(jiān)測的設備故障診斷技術是一門多學科交雜的科學技術，它首先是建立在大量的數(shù)學模型基礎上，以及涉及到一系列的物理實驗基礎，如旋轉機械振動的一般規(guī)律、軸承運轉規(guī)律等，其次它還涉及了很多專業(yè)技術，如檢測設備的工作機理和技術應用、振動信號的分析方法、故障信號的處理及分析。可以這么說，如果懂得了軋機機械振動故障的維護，基本上對所有旋轉機械都是通用的。掌握了這門技術，可以有效的對設備故障做到提前發(fā)現(xiàn)、預防，避免故障進一步惡化，同時對以后軋機機械的維護也會帶來巨大的改革，使維護工作簡單準確，也減少了企業(yè)維護工作所花費的資金。

參考文獻

[1] 張正松等.旋轉機械振動監(jiān)測及故障診斷.北京：機械工業(yè)出版社，2001

[2] 賈艷秋，張兵，陳雪梅.滾動軸承的故障機理及診斷[J].化工裝備技術，2011（4）：159 161