故障診斷技術在紙機設備維護中的應用

李志文

（岳陽林紙股份有限公司，湖南岳陽414000）

故障診斷技術在紙機設備維護中的應用

李志文

（岳陽林紙股份有限公司，湖南岳陽414000）

簡要說明設備故障診斷技術的基本原理，結合設備故障的實際診斷案例來論述設備故障診斷技術在紙機設備維護中的具體應用。

紙機；設備故障診斷技術；振動分析；頻譜分析；軸承故障頻率

0 概述

隨著科技發展，紙機構造不斷優化，傳統的紙機設備巡檢方式（主要是指聽棍巡檢）以及依靠經驗來判斷設備故障的方法，已不能滿足現代化紙機的維護要求。尤其是當年產20萬噸，甚至40萬噸的紙機出現后，紙機設備維護人員對設備故障準確性的判斷要求進一步提高，設備故障診斷技術恰好滿足了這種需求。振動分析技術作為設備故障診斷技術的一種，因診斷準確性高、診斷故障種類多、對設備的無損檢測等優點，在實際生產中應用最為廣泛。

本文將就設備故障診斷技術（以下如無特別說明，特指振動分析技術）的基本原理進行說明，結合筆者實際診斷案例，論述此項技術在紙機設備維護中的應用。

1 設備故障診斷技術

設備故障診斷技術于20世紀80年代在我國起步，經過幾十年發展，在各生產制造行業中均產生了巨大的經濟效益。全國各大造紙行業也在極力推廣該項技術。設備故障診斷技術的一大優勢就是可以對設備故障做出精確判斷，并可以此為依據對設備維護策略和維修策略做出最優化的制定。

機械結構由于自身的特點，其在運行過程中必然會產生振動。當設備運行工況不發生變化時，其振動將保持在一個相對穩定的水平。當設備發生故障時，如軸承損壞、齒輪崩齒、動不平衡等，其振動狀況必然會隨之發生改變。如果能夠找出使設備振動狀況發生改變的振源，并加以分析，就能夠確定設備故障原因。但在實際的振動數據檢測中，傳感器所采集到的振動信號（振動的時域信號）是設備振動的綜合體現。它既包含有設備正常運行時所產生的振動信號，也包含因設備故障所產生的振動信號，還包含有噪聲等其他干擾信號。如直接對采集到的振動信號進行分析，將很難確定故障源，影響對故障判斷的準確性。因此在對原始振動信號分析前，必須對信號進行相應的轉換，將原始信號中的各個成分相對獨立地分離開，使故障信號能夠突顯出來。原始振動信號的轉換方法有多種，但最為重要、應用最為廣泛的方法為傅立葉變換。傅立葉變換的物理意義可以理解為：如果一個振動系統所產生的振動信號為連續性周期信號，則該振動可以分解為由一系列簡諧振動疊加而成。不同的簡諧振動對應著不同的振動頻率，因此，傅立葉變換將對復雜的時域信號分析轉變成了簡單的頻域信號分析。通過傅立葉變換，原始振動信號中包含的各種振動信號成分就能以頻譜的方式相對獨立的分離出來了。

在產品生產制造中，絕大多數設備為旋轉機械，而旋轉機械因自身特點，其振動的周期性很強（設備每轉1周就是1個周期）。而設備故障往往跟轉速相關，設備每轉1周將產生一次或多次故障信號。因此，故障信號也表現出很強的周期性。所以，設備故障診斷技術在旋轉機械中得到了很好的應用。

周期性的振動必然會產生相應的振動頻率，借助傅立葉變換，將振動信號在頻域中進行分析，以便更容易確定設備故障原因。因為，當設備發生故障后，會引起該故障所對應的振動頻率的振幅增大，在頻譜圖中形成明顯峰值。那么，通過對該故障頻率的分析，就能確定設備的故障原因，從而可以對故障設備采取有針對性的維護和維修策略。

2 設備故障診斷技術應用

以岳陽林紙股份有限公司設備為例，結合筆者實際診斷的設備故障案例，說明設備故障診斷技術在紙機設備維護中的具體應用。

（1）齒輪箱軸承故障。公司8號機為一臺年產20萬噸的高速紙機（圖1），設備巡檢人員在例行巡檢中發現壓榨部二壓ZL輥齒輪箱振動異常，由于設備結構復雜，巡檢人員無法確定振動異常的具體原因。

圖1 ZL輥傳動示意圖

為確定ZL輥的振動原因，對齒輪箱的振動數據進行了采集。通過對頻譜圖的分析，頻率為97.55 Hz的振動表現異常，并且還出現了基于該頻率的多次諧波（圖2）。

而齒輪箱正常運行時，并無該振動頻率的出現。從頻譜上來看，初步確定應是齒輪箱內軸承出現故障。通過對ZL輥齒輪箱結構圖的分析，齒輪箱內共有3種型號的軸承，均為SKF公司生產。通過軸承型號計算得出各型號軸承的故障頻率，具體數據見表1。由表1中數據對比可知，頻譜圖中的故障頻率由齒輪箱中軸承1內圈故障引起。由于內圈故障引起的振動，還激發出了內圈故障頻率的6×倍頻，說明軸承內圈故障已非常嚴重。車間根據診斷結果，及時安排紙機停機，并對齒輪箱進行了有針對性的檢修。檢修發現，軸承1（靠內側的軸承）內圈嚴重損壞（圖3），與診斷結果一致。損壞原因為齒輪箱內軸承潤滑油管堵塞，導致軸承缺油損壞。

圖2 齒輪箱振動頻譜圖

表1 各型號軸承故障頻率

（2）毛布問題引起的輥子振動。公司1號機正常運行過程中，壓榨部三壓溝紋輥振動突然上升。車間檢查輥子軸承及減速箱后，未發現明顯異常。為確定振動原因，對三壓溝紋輥進行了振動數據采集及分析。

通過對振動頻譜的分析，頻率為27.81 Hz的振動幅值特別高，達到20.78 mm/s，該頻率的振動為引起輥子振動的主要原因。同時，頻譜圖中還檢測到輥子傳動側軸承的故障信號，頻率為122.3 Hz，并出現了4×倍頻，但振幅很小，說明軸承故障處于早期階段，不是引起輥子振動的主要原因，頻譜圖見圖4。

三壓溝紋輥出現振動正好在三毛布使用后期，此時毛布的各項技術指標均已劣化，再結合對振動頻率的分析，振動原因應為毛布劣化，激發出了由三壓溝紋輥、三毛布和中心輥組成的振動系統的某階主振頻率，使振動系統產生共振，由于設備結構、安裝原因，使三壓溝紋輥對這種共振響應最為明顯。壓榨部結構見圖5。

圖3 軸承內圈嚴重損壞

根據振動理論，在多自由度的振動系統中，存在多個主振頻率，主振頻率的個數與振動系統的自由度個數相對應。當外力造成的振動頻率與任一系統主振頻率相同時，都將引起系統的共振。隨后，車間在計劃停機時更換了三壓毛布。更換后，三壓溝紋輥振動恢復正常，從而驗證了之前的判斷。

約半年后，該輥下機，傳動側軸承外圈發現明顯點蝕剝落現象，再次驗證了故障診斷技術的準確性。

（3）風機葉輪動不平衡故障。公司熱電1號爐送風機（南通風機廠生產，型號VR58ⅢSIBORK2240）因除塵項目停運約一個月。停機前，風機運行正常。再次開機后，風機振動突然上升，影響設備安全運行。為確定振動原因，對風機振動數據進行了采集和分析。

風機運行時，轉速為1313 r/min，轉頻為21.88 Hz。從頻譜圖（圖6）中分析，風機轉頻振幅過大，超出正常值。

機械設備由于制造安裝的原因，任何設備在運行過程中均存在一定的偏心量，這也是造成設備振動的一個主要原因。但設備制造時均會進行動平衡校定，因此實際運行過程中，設備振動值不會很大，一般≤4 mm/s。而此時風機轉頻振幅達到10.52 mm/s，并激發出了基于轉頻的高次諧波，說明風機葉輪應該出現嚴重的動不平衡問題。為驗證該判斷，在操作人員配合下，將風機轉速降為1000 r/min以下，風機振動值下降明顯。根據離心力計算公式F=meω2，當偏心距一定時，葉輪的振動與轉速的平方成正比，從而進一步驗證了之前的判斷。車間利用停爐檢修機會檢查葉輪，發現葉輪背風面積灰嚴重，葉輪嚴重動不平衡。清灰后，風機運行正常。分析原因，判斷是葉輪積灰原因為風機停運期間，未做好防護措施，致使大量煙塵通過風道沉積在葉輪上。

〔編輯 凌瑞〕

圖4 輥子振動頻譜圖

圖5 壓榨部示意圖

圖6 風機頻譜圖

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.42

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