基于算法分析的卷煙機MAX 大風機故障診斷

孫夢迪

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠，天津 300163）

0 引言

現代化工業的發展目標不僅是單一通過提高生產速度來提高生產效率，減少機器設備的非故障性停機也是一項重要的指標。由于大部分機器設備是通過精密化來提高生產速度、可替換性來減少故障停機，但這也會帶來一系列問題。當機組設備由不同的小型機械組合而成時，則每個小型機械的配合程度尤為重要。由于人工安裝的不可靠性，導致一些機械與機組設備的工況無法滿足長期運行的需要，因此機組配合產生一些微小的偏差，同時機組設備又處于長時間滿載荷運行狀態，進而導致其內部的機械元器件產生不可抗拒的疲勞磨損或不穩定性故障。特別是當機組部件的重要部分出現故障或者損壞性造成停機的時候，往往會造成無法挽回的經濟損失，嚴重時甚至會發生火災、部件脫落、鏈條損壞等重大安全事故。

卷煙機組MAX 大風機正是一種可替換性強、需要人工進行替換配合、需要人工進行部件調試、故障率較高、對整體機組有重要生產意義的一種典型的小型機械裝置。由于其工況較為惡劣、轉速較高、構件較多，故常發生無周期性非線性故障，導致卷煙機組乃至整條卷包線非計劃性停機。利用振動分析算法和故障診斷技術，對卷煙風機組MAX 大風機進行實時狀態監測、智能診斷分析，是預測設備失效、預防嚴重生產事故的最有效的技術手段之一。

1 研究內容

（1）分析MAX 大風機的結構和傳動特點。

（2）對MAX 大風機的典型故障類型和故障特征進行分析，對故障機理具有一定認知，再通過故障頻率的計算對組成部件故障進行理論演繹。

（3）利用Condition Monitoring System 狀態監測軟件分析時域圖、頻域圖和包絡譜圖，并對MAX 大風機故障實例進行故障診斷。

（4）采用時域分析、頻域圖和包絡譜分析，對MAX 大風機故障實例進行診斷，為故障判定提供依據。

（5）通過時域有效值（RMS）、皮帶故障頻率和軸、軸承典型故障建立故障算法模型架構，對MAX 大風機故障進行準確判斷。

2 實驗原理

2.1 振動標準

MAX 大風機的振動評判均依據國際工廠設備振動標準ISO 10816，該標準涉及振動、沖擊和振動測量、機器、裝置、設備的特性和設計。該標準適用于通過非轉動件的測量進行機械振動的評估，實驗對象MAX 大風機適用于該標準第3 部分：額定功率大于15 kW，額定轉速在120～15 000 r/min 的在現場測量的工業機器。

2.2 軸承故障模型

（1）第一階段：軸承在其固有頻率出振動，該固有頻率作為載波，調制了軸承故障頻率，FFT 頻譜圖上出現邊帶。

（2）第二階段：故障頻率可在普通FFT 頻譜中發現，當軸承故障發展時，故障頻率處的尖峰幅值會增加，絕大多數情況下會隨著時間增長而線性增加。

（3）第三階段：頻譜中出現故障頻率的諧頻，軸承上出現肉眼可見的裂紋。

（4）第四階段：故障進一步惡化，導致軸承損壞加劇，振動情況加劇，更多的諧頻出現邊帶現象（基于不同故障）。

2.3 皮帶故障模型

頻譜上存在皮帶頻率處（BR）的較高尖峰，皮帶頻率的諧頻處也有較高的尖峰。

3 測試設備

3.1 設備健康狀態預警系統采集站

（1）設備健康狀態預警系統的核心是振動、轉速的數據采集站，它能自動完成在線狀態監測所必須的數據采集和數據評估，采集站可將各種傳感器的信號轉換成A/D 可以接受的信號。

（2）采集站標配8 路振動采集信號、轉速等其他以4～20 mA或1～5 V 方式輸入的模擬量信號。

（3）多通道同步采樣，通過現場光纖的備用芯與服務器組成專用的通信網絡。采集站最高采樣率達到64 kps，FFT 最高譜線數滿足6400 線以上等技術要求。

（4）采集站可以采集超低頻振動信號，采集低頻信號可達0.05 Hz，精度可達1%。

系統數據采集站具備完善的儀器自檢功能和完全的信號處理和數據分析能力。數據采集器能在上位服務器不參與的情況下獨立完成波形采集以及信號積分、數字濾波、幅值譜、包絡譜，特征值提取、頻帶內能量計算等信號處理工作，并可依據時域和頻域的分析結果輸出報警。

3.2 振動加速度傳感器

普頻振動加速度傳感器適用于高轉速部件的振動監測，如齒輪箱高速軸，電機軸、葉輪軸兩端軸承。其靈敏度為100 mV/g，能夠監測的頻率范圍為0.35～15 kHz，測量范圍50 g。

3.3 測點布置

測試測點位置位于ZJ112 卷煙機組MAX 大風機葉輪軸承座外殼。實驗采用24 h 不間斷測量，每30 min 記錄一次數據，將振動有效值最大的數據進行分析對比。

MAX 大風機振動信號的采集需要使用傳感器、PLC 數據采集站、狀態監測軟件等設備。信號采集的整個過程：將傳感器采集的振動信號由數據采集站統一收集和保存，再將采集的數據導出至狀態監測軟件進行計算分析。

3.4 測試機組運行參數

電機轉速2930 r/min，電機端皮帶輪直徑192 mm，葉輪轉速7716 r/min，葉輪端皮帶輪直徑75.83 mm，皮帶長度1320 mm。計算得出：

4 數據分析

實驗機組：B110、B118；實驗測點：MAX 大風機葉輪端軸承。

4.1 時域波形、振幅譜

B110、B118 機組MAX 大風機葉輪端軸承時域波形見圖1，葉輪轉頻幅值見圖2，皮帶頻率幅值見圖3。

圖1 時域波形

圖2 葉輪轉頻

圖3 皮帶頻率

4.2 實驗數據分析

（1）有效值對比。B110 機組振動測點的有效值RMS 為14.8 m/s2，B118 機振動測點的有效值RMS 為24.2 m/s2。從振動烈度的角度分析，B118 機組比B110 機組振動大。

（2）葉輪轉頻幅值對比。B110 機組MAX 大風機葉輪轉頻1×為5.970 mm/s，2×為1.750 mm/s，滿足振動故障模型中的葉輪軸、軸承故障；B118 機組MAX 大風機葉輪轉頻1×為2.040 mm/s，2×為0.093 mm/s，屬于正常運行范疇。

（3）皮帶頻率幅值對比。B110 機組MAX 大風機皮帶幅值的1×、2×、3×依次為0.173 mm/s，0.320 mm/s，0.210 mm/s，無明顯尖峰，皮帶嚙合較平穩；B118 機組MAX 大風機皮帶幅值的1×、2×、3×依次為0.584 mm/s、1.42 mm/s、0.033 mm/s，在2×處存在明顯尖峰，屬于振動故障模型中皮帶張緊度故障。

5 實驗結果

（1）B110 機組實驗結論：B110 振動有效值RMS 為14.8 m/s2，其MAX 大風機葉輪轉頻1×達到5.970 mm/s，符合振動故障模型中的葉輪軸、軸承故障，其葉輪軸、軸承之間存在摩擦，軸承存在常見故障。

（2）B118機組實驗結論：B118機組振動有效值RMS為24.2m/s2，其MAX 大風機皮帶幅值的1×、2×、3×依次為0.584 mm/s、1.42 mm/s、0.033 mm/s，在2×處存在明顯尖峰，皮帶兩端張緊度、同心度、平行度等存在故障。

6 結語

（1）單一的振動有效值可反映一般性故障，如B118 機組的皮帶張緊度問題，但并不能全面有效地涵蓋所有問題故障，如B110 機組的軸、軸承中期故障。

（2）利用振動原理建立的振動故障模型，可針對軸、軸承、皮帶、電機等進行單項的故障分析，可以更清晰地分辨機械部件的故障類型。

（3）通過對不同時間、不同機組、相同測點的振動數據測定及分析，可完善基礎的振動模型，利用基礎數據對模型進行自適應和自學習，更加精準地判斷故障類型及故障嚴重程度。