煉鋼轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與應(yīng)用

樊建忠

（宣化鋼鐵集團(tuán)股份有限責(zé)任公司 河北張家口）

1.概述

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)是煉鋼廠的關(guān)鍵設(shè)備（A類），由于價(jià)格昂貴，且預(yù)計(jì)工作壽命較長，通常沒有備件儲(chǔ)備。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)如在沒有達(dá)到規(guī)定使用年限就發(fā)生軸承、齒輪嚴(yán)重?fù)p壞的情況，會(huì)給正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的影響。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，同一批次生產(chǎn)的耳軸軸承，工作最長壽命與最短壽命之比為1∶2.4，差別較大。

由于煉鋼廠鋼產(chǎn)量逐年增加，設(shè)備負(fù)荷增大。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)處于非連續(xù)、變工況的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，且工況惡劣，一旦停產(chǎn)，損失巨大，開展監(jiān)測(cè)診斷工作，對(duì)降低設(shè)備維修費(fèi)用，避免突發(fā)事故，有效實(shí)施預(yù)知維修，具有重要的意義。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，進(jìn)行預(yù)知維修管理，宣化鋼鐵集團(tuán)股份有限責(zé)任公司與北京工業(yè)大學(xué)合作建立了一套針對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及時(shí)獲取設(shè)備振動(dòng)信息，防止關(guān)鍵零件突然失效，使設(shè)備運(yùn)行在可控狀態(tài)之下，合理地安排備件儲(chǔ)備和制定設(shè)備維修計(jì)劃。

該系統(tǒng)采集的振動(dòng)信息，也為企業(yè)實(shí)施企業(yè)資源管理（ERP）設(shè)備管理子系統(tǒng)奠定了良好基礎(chǔ)。

2.在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)構(gòu)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要進(jìn)行轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)機(jī)一次減速機(jī)和轉(zhuǎn)爐耳軸的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、電機(jī)電壓和電流等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，在運(yùn)行異常時(shí)及時(shí)報(bào)警、具有動(dòng)態(tài)信號(hào)分析與追憶功能。該系統(tǒng)是上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)用于采集振動(dòng)、電壓、溫度、壓力，數(shù)據(jù)預(yù)處理和保存；上位機(jī)對(duì)參量指標(biāo)實(shí)時(shí)波形顯示，狀態(tài)超限報(bào)警，信號(hào)趨勢(shì)分析，振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻分析，數(shù)據(jù)信息查詢。

該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集和分析功能，在軟件中可將儀器設(shè)置為連續(xù)采樣，振動(dòng)超限采樣和整點(diǎn)采樣等方式，所采集的數(shù)據(jù)按一定的存儲(chǔ)方式進(jìn)行保存，方便振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，如時(shí)域分析、自譜分析、包絡(luò)分析、幅值統(tǒng)計(jì)等，同時(shí)也可進(jìn)行振動(dòng)趨勢(shì)顯示，直觀顯示出長時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值的變化趨勢(shì)。主要功能如下。

（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警。通過振動(dòng)測(cè)量對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)設(shè)備狀態(tài)的變化做出預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行全過程中設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)管理。幅域指標(biāo)的報(bào)警，在監(jiān)測(cè)指標(biāo)窗的畫面中，以振動(dòng)幅值的底色來表示振動(dòng)指標(biāo)狀態(tài)是否正常（白色表示振動(dòng)指標(biāo)狀態(tài)正常，橙色表示振動(dòng)指標(biāo)超限）。

（2）趨勢(shì)分析。對(duì)運(yùn)行機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，觀察故障趨勢(shì)（圖1），根據(jù)情況安排檢修。

圖1 趨勢(shì)分析

（3）時(shí)域信號(hào)分析。時(shí)域波形：顯示各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的波動(dòng)曲線，根據(jù)波動(dòng)曲線觀察振動(dòng)分布和大小；概率密度分析：提供振動(dòng)幅值分布狀態(tài)，進(jìn)行比較，提取故障特征和識(shí)別模型（圖2）；相關(guān)分析：包含自相關(guān)和互相關(guān)，用于分析測(cè)點(diǎn)時(shí)序的關(guān)聯(lián)性，比較振動(dòng)信號(hào)時(shí)域的規(guī)律性，排除隨機(jī)振動(dòng)的干擾，發(fā)現(xiàn)周期成分。

圖2 時(shí)域波形和概率密度

圖3 幅值譜分析

圖4 自功率譜與相位譜

（4）頻域信號(hào)分析及非穩(wěn)態(tài)分析。幅值譜分析：振動(dòng)信號(hào)的有限或無限個(gè)簡諧函數(shù)標(biāo)識(shí)的方法，反映振動(dòng)信號(hào)x（t）各簡諧成分的幅值與其頻率的關(guān)系（圖3）；自功率譜分析：自相關(guān)函數(shù)的功率譜，標(biāo)識(shí)振動(dòng)信號(hào)中各諧波分量的頻率和能量的關(guān)系（圖4）；互功率譜分析：互相關(guān)函數(shù)的功率譜，顯示不同測(cè)點(diǎn)之間共有的諧波成分和能量的關(guān)系；倒譜分析：突出主要頻率成分，識(shí)別復(fù)雜頻譜圖結(jié)構(gòu)中的各組成分量；瀑布圖：以時(shí)間為序列連續(xù)地反映在不同條件或不同的時(shí)間周期，其頻譜變化的規(guī)律；小波分析：將非穩(wěn)態(tài)的信號(hào)分解后返回到時(shí)域，結(jié)合頻段的濾波，重組波形的時(shí)頻分析手段。

圖5 振動(dòng)峰值趨勢(shì)

圖6 振動(dòng)有效值趨勢(shì)

圖7 振動(dòng)峭度趨勢(shì)

圖8 轉(zhuǎn)爐耳軸傳動(dòng)側(cè)軸承測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波形（異常）

3.應(yīng)用實(shí)例

2007年12月1日，某廠耳軸傳動(dòng)側(cè)軸承的振動(dòng)幅值開始增大，而非傳動(dòng)側(cè)軸承振動(dòng)幅值一直穩(wěn)定。

從圖5和圖6可以看出振動(dòng)峰值和有效值有3次較大的沖擊，峰值最高達(dá)到58 m/s2，有效值最高達(dá)到44；從圖7中可以看出振動(dòng)峭度指標(biāo)有多次沖擊，最高達(dá)到4。圖8顯示，在2007年12月1日9時(shí)轉(zhuǎn)爐耳軸傳動(dòng)側(cè)軸承振動(dòng)出現(xiàn)異常，時(shí)域幅值從1.5 m/s2升到了15 m/s2，頻域幅值也從1.2 m/s2增大到2.5 m/s2。

圖譜和數(shù)據(jù)分析說明，轉(zhuǎn)爐耳軸運(yùn)行狀態(tài)異常，存在故障隱患。12月11日開箱檢查，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)體破裂3個(gè)，軸承內(nèi)外圈均有大面積點(diǎn)蝕，檢查結(jié)果與診斷分析相符。