OIS狀態監測系統在爐卷軋機生產線中的應用

賈 昆，華 成，楊小兵

（酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司，甘肅 嘉峪關735100）

1 前言

不銹鋼爐卷軋機生產線實現不銹鋼從板坯到卷材全流程軋制。其中粗軋機經過5～7道次往復軋制將160～220 mm板坯軋制成為25～30 mm的中間坯，由粗軋機延時輥道將中間坯送往滾筒剪，滾筒剪將中間坯頭部不規則及缺陷部分切除后送往精軋機，中間坯進入精軋機前由機前推床將中間坯頭部進行對中，中間坯頭部對中后送入精軋機根據二級設定軋制規程進行軋制，軋制中的厚度自動控制、板型控制及設備動作邏輯控制由TCS進行自動控制，經3～7道次軋制后將中間坯軋制為成品熱態厚度，經層流冷卻輥道采用不同的產品冷卻策略將軋后板帶送往地下卷取機進行卷取。從整個生產流程可以看出，軋機、卷取機、滾筒剪是關鍵的設備，運行狀態的穩定性直接關系到生產順行。因此，以軋機、卷取機、滾筒剪等設備的電機和減速機為監測對象，構建基于振動沖擊脈沖和振動加速度檢測技術為基礎的在線監測系統，并采用基于規則的報警自動跟蹤故障的發生、發展，對保障生產線的穩定順行具有重要意義。

2 OIS狀態監測系統的構建

以設備管理信息化系統為基礎，通過PQ儀、光譜分析儀和鐵譜分析儀對關鍵齒輪箱和萬向軸采集的油樣進行金屬顆粒物成分化驗，化驗結果上傳公司服務器，在客戶端利用點巡檢系統中趨勢分析模塊對金屬成分進行長期跟蹤，同時利用鐵譜分析的圖譜進行故障模式匹配，進而定量分析設備結構件的損害程度，監控設備的劣化趨勢。IOS在線監測系統架構如圖1所示。

圖1 IOS在線監測系統架構

OIS狀態監測系統由沖擊脈沖傳感器、低頻加速度傳感器、常規加速度傳感器、電渦流轉速傳感器、現場監測單元、手持儀器、網線及局域網、服務器/工作站等構成，通過專用網線接入工廠服務器和局域網絡，監測單元通過網絡接口與網絡及服務器組成專用的通訊網絡。工廠服務器/工作站運行SQL數據庫存儲數據，運行LINX控制程序，實現對OIS硬件的設置、通訊及監測數據的采集、分析、處理、存儲、報警。

3 OIS狀態監測系統測點布置

3.1 粗軋主電機

兩臺粗軋主電機的前后軸承座，水平方向安裝低頻振動加速度傳感器，獲取主電機總體振動水平，評估平衡、松動、軸瓦磨損等；中間軸軸承座軸向安裝一個低頻振動加速度傳感器，獲取該點總體振動水平，評估軸瓦磨損、軸向竄動等；粗軋主電機輸出軸各安裝一只電渦流型轉速傳感器。

3.2 精軋機分配箱、電機

齒輪箱4個軸承位各安裝一只沖擊脈沖傳感器，獲取軸承沖擊信息及齒輪嚙合沖擊信息，并做潤滑評估與頻譜分析；齒輪箱輸入軸輸入端垂向、下輸出軸輸入端水平、兩個輸出軸輸出端中間軸向，各安裝1個振動加速度傳感器，獲取齒輪箱總體振動水平，評估齒輪嚙合、松動、對中、軸向躥動等；精軋分配箱電機前后兩個滑動軸承位水平方向，各安裝1個振動加速度傳感器；獲取軸瓦振動信息及電機整體振動水平，評估電機軸不平衡、對中、電氣問題等；在電機的輸出軸，安裝1個電渦流型轉速傳感器。

3.3 芯軸電機（連接入OIS-4#）

在每個電機前后兩個滾動軸承位各安裝1個沖擊脈沖傳感器，獲取軸承沖擊信息，并做潤滑評估與頻譜分析；在每個電機輸出軸安裝1個電渦流型轉速傳感器。

3.4 下卷取芯軸減速機及電機

在齒輪箱輸入軸輸出端軸承位、輸出軸輸入端軸承位，各安裝1個沖擊脈沖傳感器，獲取軸承沖擊信息及齒輪嚙合沖擊信息，并做潤滑評估與頻譜分析；齒輪箱輸入端軸向與輸出端水平向，各安裝1個振動加速度傳感器，獲取齒輪箱總體振動水平，評估齒輪嚙合、松動、對中、軸向躥動等；在每個電機前后兩個滾動軸承位各安裝1個沖擊脈沖傳感器，獲取軸承沖擊信息，并做潤滑評估與頻譜分析；電機輸出軸，安裝1個電渦流型轉速傳感器。

4 OIS狀態監測系統功能

OIS狀態監測系統，能夠連續監測設備運行過程中的振動位移、速度、加速度、沖擊脈沖值、轉速等參數，以及振動與沖擊脈沖的波形和頻譜。系統提供針對機組的智能分析模塊，可識別機組的運行狀態，智能擬合齒輪嚙合、軸承故障、對中不良、不平衡、松動等早期征兆，實現征兆趨勢分析與記錄，通過“綠、黃、紅”及征兆棒圖，給出故障部位、類型、嚴重程度、發展趨勢的準確判斷。系統具有各類軸承的軸承數據庫，采用圖形化界面展示各部位狀態。系統可利用負載、轉速等信息，采用變速變載分析技術，針對不同工況對機組振動進行智能標準的自學習，得到歸一化的趨勢分析結果，避免在不同工況下采用同一標準所帶來的頻繁誤報及漏報。OIS狀態監測系統具備以下10方面的使用性能：①圖形化界面，設備、測點智能“綠黃紅”指示，并可追溯至發生預警及警報的參數及故障征兆。②振動參數。可設定位移、速度、加速度、峰值因子、翹度、4個等級的摩擦當量。③振動分析。波形、頻譜、加速度包絡（可設定11種高通/帶通濾波器）。④振動標準。單測點設置多個任務，并對各項參數、征兆指標設定兩級報警。以ISO10816標準設定；用戶自行設定；Condition Manager方式自學習設定。⑤沖擊脈沖參數。HDm（軸承損傷程度）、HDc（軸承潤滑狀態）。⑥沖擊脈沖分析。波形、頻譜、HD波形、HD頻譜。⑦EVAM智能診斷。可設定軸承內圈、外圈、滾動體、保持架、對中、平衡、葉輪、松動、齒輪嚙合等數十種征兆，并針對每項征兆設定征兆值，進行趨勢分析，并以綠黃紅棒圖指示。所有征兆值均可以自學習方式進行兩級報警。⑧非穩態分析。采用階比測試技術實現轉速跟蹤及修定，濾除轉速變化影響。⑨采用征兆增強技術。⑩提供4～20 mA信號輸入，可將載荷信號直接采集入系統，以便于變載下振動動態標準的設定。

同時，OIS狀態監測系統具有以下3方面的優勢：①系統利用轉速限制來篩選掉不合格的數據，對于軋機齒輪箱，電機不取空轉、停轉時的數據。②對于設備負載不斷變化的工況，OIS檢測單元提供4～20 mA輸入，可將載荷信號直接采集入系統，以便于振動動態標準的設定，運轉3個月后，即可利用軟件篩分不同工況下的狀態；但對于工況變化不大的設備，無需設定動態標準，只須監控數據整體趨勢的變化即可。③沖擊脈沖的數值是與轉速綁定的，最終的結果已經對轉速進行了歸一化處理，是一個動態標準，隨轉速變化自行調整。

5 OIS狀態監測系統應用案例

5.1 下卷取芯軸減速機故障描述

2019 年某鋼廠OIS狀態監測系統顯示，下卷取芯軸減速機輸出端出現振動異常，其振動幅值高達到20.07 mm/s，技術人員立即對其進行了振動頻譜分析。其垂直方向頻域信號和時域信號可以看出，頻域信號存在減速機輸出端主頻的基頻及其諧波，高次諧波達到18倍頻，未發現軸承故障頻率。

其水平方向頻域信號和時域信號可以看出，頻域信號存在減速機輸出端主頻的基頻及其諧波，其中2倍頻最高，未發現軸承故障頻率。

其軸向方向頻域信號和時域信號可以看出，頻域信號存在減速機輸出端主頻的基頻及其諧波，時域信號存在削波，未發現軸承故障頻率。但該測點的軸向振動幅值高達20.86 mm/s，遠超過設備振動允許幅值（≤7.1 mm/s）。

5.2 下卷取芯軸減速機故障檢查

通過對下卷取芯軸減速機輸出端異常振動的頻域信號和時域信號分析，頻域存在主頻及其高次諧波，時域存在削波，這說明機械連接部件可能存在松動的現象，并伴隨摩擦。鑒于芯軸減速機輸出端軸向振動值達20.86 mm/s，決定停機檢修。

對設備解體后，發現安裝軸承的安裝部位有明顯劃痕，這說明該部位的軸承內圈松動，轉軸與該軸承內圈存在相對滑動，產生摩擦，同時，該軸承內圈也有摩擦的痕跡。

從設備解體情況可以得出，芯軸減速機輸出端，即減速機輸出端軸承處存在松動，進而產生摩擦，這是減速機振動異常增大，聲音異常的原因。

5.3 故障處理后減速機運行狀況

更換軸承并對劃傷軸安裝位置進行處理后，相同測點的時頻信號可看出，維修后設備振動幅值小，頻域僅存在主頻，不存在高次諧波，減速機運行平穩。