高爐爐頂齒輪箱在線振動監測系統的應用

張玉奎，程 楊，朱光強

(武漢鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，湖北 武漢 430083)

0 前言

自高爐采用無料鐘爐頂裝料設備以來，由于其布料靈活，實現高爐高壓操作等特點得到迅速推廣和發展。整個設備的核心部件是傳動齒輪箱，由于加工精度高，容易受工作環境影響而產生故障，從而影響生產。在實際生產過程中，曾受載荷、爐頂溫度、操作等影響，傳動齒輪箱出現斷齒、回轉支撐卡死等故障，造成電機過載而無法布料，直接影響到高爐生產的安全和正常運行。

由于傳動齒輪箱的重要性和產生故障的隨機性，很多鋼鐵企業都采取了如檢測電機電流、監控齒輪箱內溫度以及監測冷卻氮氣工藝參數等措施，以降低故障率，但這些措施都很難全面的監控傳動齒輪箱運行情況。而在線監測技術的應用，將以往定期檢修轉變為預知檢修，能夠全面實時監控齒輪箱的運行狀況。因此，齒輪箱在線監測系統的研究和應用對于高爐的正常生產就顯得尤為重要。

為了及時發現故障隱患，進行預知維修管理，武漢鋼鐵股份有限公司煉鐵廠與北京工業大學合作，建立了一套針對高爐無料鐘爐頂齒輪箱的在線監測系統。本系統可以實時監測齒輪箱的運行狀態，對齒輪箱的異常運行及時報警，不但可以避免重大事故的發生，而且能實現設備由事后維修、定期維修到預知維修，減少設備維修次數，降低設備維修費用，同時有效地控制停產檢修的時間，達到增加產量的目的。

1 齒輪箱在線監測系統主要功能

1.1 實時信號采集、處理、報警及故障輔助處理功能

高爐無料鐘爐頂傳動齒輪箱在線監測系統采用以太網接口，基于采集器/服務器/瀏覽器架構;支持局域網或者互聯網系統中構建大型狀態和健康監測網絡;一臺計算機可以通過LAN局域網控制多臺高爐爐頂齒輪箱的采集儀，多臺采集儀之間可以方便地進行級聯和同步，可以進行多測點、遠距離或無線傳輸的振動、噪聲、沖擊、應變、壓力、電壓等各種物理量信號采集，使用棒圖(圖1)、波形圖、數據表和組態圖進行直觀顯示。允許多人通過服務器同時對各臺儀器和數據進行不同權限的查詢和設置等操作。采集儀也可以脫離軟件實現離線數據采集。

圖1 棒圖顯示在線監測圖Fig.1 On-line monitoring bar screen

1.2 故障分析功能

在軟件中可將儀器設置為連續采樣，振動超限采樣和整點采樣等方式，所采集的數據按一定的存儲方式進行保存，以便于振動數據的分析，如時域分析、自譜分析、包絡分析、幅值統計等，同時也可進行振動趨勢顯示，直觀的顯示出長時間范圍內測點振動值的變化趨勢。主要功能包括:

(1)狀態監測報警。通過振動的測量對設備的運行狀態是否正常進行評價，并對設備狀態的變化做出預測，以實現運行全過程中設備狀態的動態管理。幅域指標的報警，在監測指標窗的畫面中，以振動幅值的底色來表示振動指標狀態是否正常(白色表示振動指標狀態正常，橙色表示振動指標超限)。

(2)幅域指標。點擊左側工具欄按鈕“時域指標統計”可顯示將當前時域波形的統計指標，包括峰值、均值、最大值、有效值、峭度指標等。

(3)趨勢分析。軟件對運行機組的振動數據進行記錄，通過長時間的觀察就可看出故障趨勢(圖2)，以便根據情況安排檢修。

圖2 趨勢分析窗口界面Fig.2 Trend analysis screen

(4)時域信號分析。根據時域波形顯示的振動結構分布和形狀，進行概率密度分析，提取故障特征和識別模型，并進行相關分析。

圖3為時域波形顯示各測點振動的波動曲線，可觀察振動的結構分布和形狀。

圖3 時域分析窗口界面Fig.3 Time domain analysis screen

相關分析包含自相關(圖4)和互相關，用于分析測點時序的關聯性，比較振動信號時域的規律性，排除隨機振動的干擾，發現周期成分。

(5)頻域信號分析及非穩態分析。振動信號的有限或無限個簡諧函數標識的方法，反映振動信號x(t)各簡諧成分的幅值與其頻率的關系如圖5所示。

圖4 自相關分析窗口界面Fig.4 Self-correlation analysis screen

圖5 頻譜分析窗口界面Fig.5 Frequency spectrum analysis screen

(6)包絡譜分析。共振解調分析常常用于滾動軸承、齒輪等旋轉機械元件的故障診斷中，共振解調一般是對信號中的共振波形的包絡線進行頻譜分析，所以稱為包絡譜分析。當軸承某一元件表面出現局部損傷時，在負載運行過程中要與其他元件發生碰撞，產生沖擊脈沖力，由于沖擊脈沖力的頻帶很寬，必然包含了軸承外圈、傳感器等的固有頻率而激起這個測振系統的高頻固有振動。根據實際情況，可以選擇某一高頻固有振動作為研究對象，通過帶通濾波方法，將該固有振動分離出來。然后對這個分離出來的信號進行包絡線計算，包絡線中去除了高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡信號，此時對這個包絡信號進行頻譜分析就可以很容易地診斷出軸承的故障來，最后這個包絡線的頻譜就是共振解調譜。

1.3 智能診斷

(1)人機交互信息。基于知識的診斷方法，在診斷系統中涉及的知識和數據可以劃分為設備、故障集和征兆集等三個集合。對于復雜結構的設備，故障與征兆之間可能存在著比較復雜的關系。考慮到設備結構的復雜性，應該分解成部件對應的故障，設備診斷方法把故障征兆、設備故障同整個設備結構聯系在一起。

在收集了故障表征后，在相應的地方輸入故障的特性判斷，然后填入處理意見，在以后的使用中，如果遇到同樣的問題，只要選擇相應的故障表征，系統將自動找出對應的處理建議(圖6)。

圖6 典型故障譜圖Fig.6 Typical fault spectrum screen

(2)專家系統智能診斷。在完成人機交互后，進入智能診斷系統，在智能診斷中，用戶只要選擇報警數據文件，確認需要診斷設備部位，按下智能診斷按鈕，系統將自動對當前數據進行分析，提出參考性意見(圖7)，為設備管理人員提供理論依據。

圖7 旋轉機械的故障診斷分析Fig.7 Rotary machinery fault diagnosis screen

2 應用實例

武鋼某高爐無料鐘爐頂中的齒輪箱2012年初安裝投入使用，在運行將近一年后，設備管理技術人員感到設備振動異常，計劃在2013年初更換。為了更加準確地確認齒輪箱的運行情況，制定檢修時間，采用齒輪箱在線監測系統對齒輪箱進行監控，并根據監控過程進行分析。選取2013年1月21日振動數據，進行分析判斷。

如圖8、圖9所示，光標1頻率為133 Hz，其2倍頻也比較明顯，與B4/B10的嚙合頻率133.85 Hz相近，這表明回轉傳動鏈有早期故障隱患。

圖8 信號時域、頻域分析Fig.8 Signal and frequency domain analysis

圖9 上部齒輪箱旋轉電機徑向測點振動信號時域和頻域譜圖Fig.9 Time and frequency domain of vibration signal at the radial monitoring point at the rotary motor of upper gear box

如圖10時域信號所示，有明顯的周期性振動;在頻譜圖上，光標所示頻率為189 Hz，與傾動傳動鏈B3/B9的嚙合頻率相近，由于189 Hz倍頻不明顯，說明傾動傳動鏈上的零部件有早期隱患。

圖10 上部齒輪箱頂部徑向測點振動信號時域和頻域譜圖Fig.10 Time and frequency domain of dynamic signal at radial monitoring point of upper gear box

綜上所述，雖然一號高爐爐頂齒輪箱回轉傳動鏈和傾動傳動鏈均有早期故障隱患，但可以繼續運行。原計劃1月份要更換爐頂齒輪箱，經過對振動數據分析并結合現場工況，決定繼續使用該齒輪箱，到2013年3月15日，該齒輪箱仍在正常使用。

3 結束語

應用高爐無料鐘爐頂齒輪箱在線檢測系統，對武鋼某高爐做了實際應用分析。實踐證明了齒輪箱在線檢測技術具有實時、客觀的特點，是保證高爐設備正常生產必不可少的技術手段，為延長齒輪箱檢修周期提供了理論依據。

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