淺議冶金設備在線振動狀態監測診斷的技術應用與實踐

劉海軍，黃明剛，劉毅，宋棟

（酒鋼集團宏興股份公司碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關 735100）

酒鋼宏興鋼鐵股份有限公司（簡稱酒鋼宏興）碳鋼薄板廠從2015年開始探索實施設備在線狀態監測系統，在關鍵設備的軸承測點上安裝壓電式加速度傳感器，利用在線數據采集模塊實現數據實時采集、加速度包絡處理，存儲，通過專用軟件對數值和頻譜進行分析診斷、預判斷設備運行狀態。

1 現場設備在線監測系統的介紹

碳鋼薄板廠2015年針對熱軋區域軋機、連鑄區域擺剪等20臺齒輪箱，在其旋轉軸承軸承座的徑向（部分為徑向+軸向）上安裝了約90個壓電式振動加速度有線傳感器，傳感器輸出的模擬信號經雙屏蔽信號電纜傳輸至多通道數據采集單元，信號在采集單元內進行了模數轉換，頻譜轉換，帶通濾波，加速度包絡處后，形成了振動加速度、振動速度、加速度包絡值、頻譜等數值體系，以上數值以網線輸出方式進入我廠的局域網交換機，經我廠局域網進入部署在中心機房服務器的專用分析軟件和數據庫中。圖1為在線振動監測系統網絡架構圖。

圖1 在線振動監測系統網絡架構圖

數值與頻譜在分析軟件和數據庫中形成了即時數值和歷史記錄，系統內根據設備振動速度報警的ISO國際標準規則，設定了相應的警告和報警值，可以實現對設備故障進行自動警告和報警。

由于傳感器在軸承上采集到的振動加速度信號是設備多個振動來源的混合信號，這些混合信號至少包括三個部分：（1）周邊振動傳導；（2）設備結構關系如：不平衡，不對中，松動等原因產生的振動；（3）軸承、齒輪等傳動部件的缺陷導致的振動。

其中第三類振動信號的頻譜具有高頻、低幅值的特點，如果只看振動速度總值，這些信號經常被掩蓋和忽視，而它所對應的故障又是設備狀態監測的重點。

我廠通過對帶通濾波后的頻譜進行加速度包絡處理，將缺陷頻率的振動速度轉換為這個缺陷所產生的沖擊能量的總和，軟件系統把這個總和值定義為一個無量綱值——加速度包絡值（gE值），這個值用于判斷部件缺陷的嚴重程度，系統依據這個值設定了針對部件缺陷的報警和警告標準。

該系統陸續發現有6套齒輪箱軸承、1套齒輪接手、齒輪存在早期缺陷。據此，廠里提前安排合理的檢修時間，對相應的軸承和齒輪接手進行了解體檢查，解體后發現現場實物上的缺陷特征與振動監測系統所判斷的結果高度一致，實現軋機預知維修。

2 設備振動故障機理及在線監測系統應用典型案例

2.1 在線狀態監測應用——軸承故障診斷案例

2.1.1 軸承保持架故障診斷案例

（1）2020年12月3日對7#連鑄機擺剪齒輪箱在線狀態分析，發現二軸加速度包絡譜加速度包絡值趨勢出現明顯能量上升態勢，見圖2；對二軸包絡頻譜分析發現異常峰值集中在轉頻的低頻區，進一步比對分析故障特征頻率為軸承保持架，見圖3，故初步判定為軸承保持架存在缺陷。

圖2 軸承保持架斷裂趨勢圖

圖3 包絡3頻譜與部件缺陷頻率對照圖

（2）2020年12月7日停機，對7#連鑄機擺剪齒輪箱解體檢查發現二軸離合器側軸承（239/500GA/W33/C3）軸承保持架斷裂，見圖4，隨后組織檢修更換軸承。

圖4 保持架斷裂照片

（3）2020年12月8日檢修更換軸承后起機生產，擺剪齒輪箱振動趨勢明顯下降，恢復正常，見圖5。

圖5 更換軸承后二軸趨勢曲線

2.1.2 軸承內圈故障診斷案例

（1）2021年1月25日，在分析8#連鑄機擺剪齒輪箱加速度包絡頻譜過程中，發現一軸存在異常的峰值，異常頻譜集中在多倍頻處，且存在邊頻，由于系統設定轉速與實際轉速存在少量的差異，通過軸承頻譜比對分析，初步判斷離合軸承(NUNU2240C3)內圈存在缺陷，見圖6。

圖6 軸承內圈缺陷頻譜圖(NU2240C3)

（2）2021年1月26日停機檢修，對擺剪齒輪箱1#軸解體，發現軸承內圈存在裂紋缺陷，見圖7。

圖7 軸承內圈裂紋缺陷

（3）2021年1月26日更換軸承后，一軸振動能量大幅下降，恢復正常，整體趨勢平穩，見圖8。

圖8 更換后趨勢曲線平穩

2.2 在線狀態監測——齒輪故障診斷案例

齒輪傳動系統是一個彈性的機械系統，由于結構和運動關系的原因，存在著運動和力的非平穩性。圖9是齒輪副的運動學分析示意圖。圖中O1是主動輪的軸心，O2是被動輪的軸心。假定主動輪以ω1作勻角速度運動，A、B分別為兩個嚙合點，則有O1A>O1B，即A點的線速度VA大于B點的線速度VB。而O2A

圖9

嚙合頻率。從這個意義上說：齒輪傳動系統的嚙合振動是不可避免的。振動的頻率就是嚙合頻率。也就是齒輪的特征頻率，其計算公式如下。

嚙合頻率的高次諧波其中，N為齒輪軸的轉速(r/min)；Z為齒輪的齒數。

邊頻帶。由于傳遞的扭矩也隨著嚙合而改變，它作用到轉軸上，使轉軸發生扭振。而轉軸上由于鍵槽等非均布結構的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉時間一致，激發的扭振振幅也就按轉軸的轉頻變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產生了調制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產生出以軸頻為間隔的邊頻帶。

邊頻帶也是齒輪振動的特征頻率，嚙合的異常狀況反映到邊頻帶，造成邊頻帶的分布和形態都發生改變。邊頻帶包含齒輪故障的豐富信息。

（1）2021年1月7日通過對8#連鑄機擺剪一軸時域分析，發現存在異常的振動幅值，同時在一軸上發現間隔約0.05s（轉動周期）的周期性波峰，初步判斷為齒接手或不對中故障，見圖10。

圖10 一軸時域分析圖

（2）2021年1月8日檢修拆解一軸齒接手發現齒面磨損嚴重，見圖11。

圖11 齒接手齒面磨損圖片

（3）2021年1月8日更換齒接手后，擺剪一軸趨勢相比較前期振動峰峰值降低50%，整體趨勢平穩、恢復正常，見圖12。

圖12 一軸輸入端趨勢曲線

類似的成功應用案例還有許多，由于振動監測系統提前發現故障劣化趨勢，使得廠里可以提前安排檢修時間，有效避免了重大設備事故，現在振動監測技術已成為我廠設備狀態管理不可缺少的手段和工具。

3 設備在線監測方面的應用總結

在線狀態監測系統主要是通過在主要設備上安裝傳感元件，對設備振動、溫度、電流、電壓等參數進行采集監測，建立關鍵設備監測評價及預知維修體系，成立設備監測評價小組，定期或不定期組織內部或外部故障診斷技術交流，提高設備人員的業務技能，實現生產設備的經濟、可靠、穩定運行，為安全生產、提質增效、轉型升級及高質量發展提供堅實的設備保障。