大功率立磨減速機遠程在線狀態智能監測裝置及系統設計

文|吳昊 余小輝 . 國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院 . 南京高速齒輪制造有限公司

立磨減速機作為立式磨機的核心部件之一，用于傳送動力，將電機轉速降到磨機所需的研磨轉速，并對磨機磨盤行程支撐。立式磨機需要極高的額定功率和極高的可用性，研磨過程中所產生的較高軸向力和部分徑向力通過推力軸承和齒輪外殼傳送到磨機基礎。立磨減速機廣泛用于建材行業、電力行業及冶金行業的行業。現階段，大部分的在線監測類產品和技術通常只從振動一個維度對齒輪箱故障問題進行監測，該種方式極易產生大量誤報警和漏報警的現象，尤其對大型立磨齒輪箱在復雜工作環境中各部件易損壞的問題,無法進行精準監測和故障部件定位。

基于上述原因，本文利用多傳感器信息融合技術，基于工業級ARM和FPGA芯片，同時應用專業的數字信號處理DSP嵌入式技術開發了獨特的在線狀態監測信號智能采集及處理裝置，該設備采用了特殊的模塊化電路設計，將振動傳感器單元、油液金屬磨損顆粒單元和鉑熱電阻測溫等單元有機集成至一套電路板中。上位機系統集配置與數據分析于一體，系統運用時域波形、頻譜、包絡解調、溫度趨勢和磨粒統計等相關工具進行診斷分析，結合可選的故障征兆，進而對機組的工作狀況進行精確診斷，了解機組的具體故障、部位和原因等信息

一、系統架構

遠程在線狀態智能監測系統主要由以下部分組成，如圖1所示。

圖1 遠程在線狀態智能監測系統流程圖

立磨齒輪箱運行狀態信號采集單元分布及監測點位置如圖2所示。各采集單元功能描述如下：

（1）采用霍爾電流互感器實時檢測驅動電機的運行電流，通過上位機軟件實時監控電機運行狀態，預防應電機過載導致齒輪箱輸入端過載損壞。

（2）應用耐腐蝕、耐惡劣環境的應力傳感器用于實時檢測齒輪箱輸入端扭矩，防止齒輪箱負載過大，導致齒輪箱輸入端扭曲變形等損壞現象。

（3）齒輪箱運行轉速采用應用接近開關式傳感器進行監測，該傳感器具有很強的通用性和穩定性，轉速傳感器采用——鋼結構支架固定在齒輪箱輸入端處。

（4）針對齒輪箱內部結構及易發生故障的部位(如軸承端、二次側傳動軸和軸瓦等)，內置了多個鉑熱電阻，實時采集內部部件運行溫度指標，鉑熱電阻由半導體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度變化引起電阻變化。

（5）加速度傳感器，用于采集齒輪箱運行狀態的振動數據，針對立磨齒輪箱結構及故障部位損害特點，在齒輪箱裝備或大修階段，預先將7只振動加速度傳感器埋置在齒輪箱內部，這7只傳感器由于需要浸泡在齒輪箱潤滑油中，因此對該傳感器本體外殼進行特殊處理，同時對傳感器引出線接口進行特殊密封方式處理，以便達到耐油高溫、耐油腐蝕及耐油滲透等特點；另外1只傳感器采用表貼式方式，固定在輸入軸端附近。

（6）磨粒傳感器用于收集齒輪箱內部磨損金屬顆粒數量和尺寸數據，針對齒輪箱底部潤滑油流動性差的特點，采用電磁式結構磨粒傳感器，該傳感器具有結構原理簡單、實時性好、靈敏度高以及反應快速等優勢。

圖2 信號采集單元設置及監測點位置

二、狀態監測裝置硬件設計

硬件設計基于工業級ARM和FPGA芯片,同時應用專業的數字信號處理DSP嵌入式技術開發的在線狀態監測信號智能采集及處理裝置，如圖3所示，具有以下特點：

（1）信號采集采用全采集技術，能真正實現捕獲故障數據，做到實時監控。

（2）可擴展的多路和多種信號輸入接口，獨特設計的信號隔離采集電路、變送器電路以及A/D轉換器電子電路，可將各采集信號進行融合處理。

（3）對外接口采用全覆蓋的高等級防雷電路設計，有效的提高了設備的可靠性。

（4）內置寄存器功能，可對采集信號策略進行有效配置，通過設置采樣值、頻率、時間范圍、高通濾波等篩選條件實現智能化采集。

（5）可設置多參數報警值和多形式報警值，實現智能故障預警。

（6）內置的SIM卡無線通訊模塊，可將有效數據或報警數據通過移動網絡推送到手機APP客戶端。

圖3 在線狀態智能監測裝置

三、狀態監測裝置軟件設計

軟件設計級系統網絡架構采用B/S分布式架構設計，系統自帶模板設備，并可自定義模板設備，可快速配置設備信息，可完成單臺或多臺機組采集策略更新，如圖4所示。利用內置的軸承數據庫資源，結合多種傳動結構型式模型算法，可方便快速識別軸承及齒輪缺陷。系統提供豐富的數據分析功能，時域波形、頻譜、倒譜、包絡解調、交叉相位、瀑布圖、多波形、多頻譜、軸心軌跡、轉速圖譜、轉速/趨勢組合圖譜、溫度監測、磨粒數量及尺寸統計等20余種分析方法。通過設置篩選條件，如采樣值、頻率、時間范圍及高通濾波等，可輕松選出需要分析的數據。系統集配置與數據分析于一體，支持OPC服務器軟件功能，也支持ISO 10816等標準絕對報警值設定。

圖4 上位機軟件設計架構

四、遠程監測中心設計

遠程監控中心采用分布式網絡存儲系統，系統結構具有可擴展性和定位存儲信息特性，系統的可靠性高、存取效率高，可實現集群式工廠智能監控和管理，如圖5所示。

診斷工程師基于遠程診斷平臺對現場數據進行分析，診斷系統針對旋轉設備的軸承、齒輪擁有400多項監控指標，當機組出現異常時，系統可自動進行智能診斷，并自動生成診斷報告，通過內置的無線SIM卡模塊自動觸發報警并通過短信、郵件等方式通知現場設備管理員或減速機廠家服務人員，根據報警信息對設備狀態進行專業分析。

圖5 遠程中心軟件示例

五、現場測試

某國內廠家立磨減速機，現場已安全運行近5年時間，某日遠程監控發現大齒圈上的測點振動開始出現震蕩上身，同時其他相關測點無同步性變化，診斷分析工程師通過時域、頻譜和包絡解調等數據分析方法，鎖定內齒圈12點鐘方向

存在損傷，故障波形圖如圖6所示。

圖6 現場監測故障波形

經客戶現場服務工程師檢查，大齒圈12點鐘方向多個齒輪面出現剝落，部分齒輪面存在壓痕，現場檢查圖如圖7所示。

圖7 現場檢查結果圖片

現場檢查結果與診斷分析結果一致，經故障排查，該故障屬于齒輪正常疲勞剝落，針對該故障，遠程診斷中心分析師給出了專業的判斷依據和結論，并給出了合理化的維保建議。

六、結論

本文利用多技術融合的方式從振動、磨粒、溫度等多個維度對立磨減速機的運行狀態進行統一管理，設計并開發了基于多傳感器信息融合的在線狀態智能監測裝置，能有效的對大功率立磨減速機等大型設備進行多維度監測，該種監測方式能在復雜工作環境中對易損壞部件進行精準定位，大大降低了事故性停機和非計劃性停機概率，降低維保成本，提高了用戶生效率和經濟效益。