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(guān) 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(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在關(guān)鍵設(shè)備的軸承測點上安裝壓電式加速度傳感器，利用在線數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、加速度包絡(luò)處理，存儲，通過專用軟件對數(shù)值和頻譜進(jìn)行分析診斷、預(yù)判斷設(shè)備運行狀態(tài)。

1 現(xiàn)場設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的介紹

碳鋼薄板廠2015年針對熱軋區(qū)域軋機、連鑄區(qū)域擺剪等20臺齒輪箱，在其旋轉(zhuǎn)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(jīng)雙屏蔽信號電纜傳輸至多通道數(shù)據(jù)采集單元，信號在采集單元內(nèi)進(jìn)行了模數(shù)轉(zhuǎn)換，頻譜轉(zhuǎn)換，帶通濾波，加速度包絡(luò)處后，形成了振動加速度、振動速度、加速度包絡(luò)值、頻譜等數(shù)值體系，以上數(shù)值以網(wǎng)線輸出方式進(jìn)入我廠的局域網(wǎng)交換機，經(jīng)我廠局域網(wǎng)進(jìn)入部署在中心機房服務(wù)器的專用分析軟件和數(shù)據(jù)庫中。圖1為在線振動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

圖1 在線振動監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

數(shù)值與頻譜在分析軟件和數(shù)據(jù)庫中形成了即時數(shù)值和歷史記錄，系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)設(shè)備振動速度報警的ISO國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，設(shè)定了相應(yīng)的警告和報警值，可以實現(xiàn)對設(shè)備故障進(jìn)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(shè)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(dǎo)；（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)關(guān)系如：不平衡，不對中，松動等原因產(chǎn)生的振動；（3）軸承、齒輪等傳動部件的缺陷導(dǎo)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(jīng)常被掩蓋和忽視，而它所對應(yīng)的故障又是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的重點。

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

該系統(tǒng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有6套齒輪箱軸承、1套齒輪接手、齒輪存在早期缺陷。據(jù)此，廠里提前安排合理的檢修時間，對相應(yīng)的軸承和齒輪接手進(jìn)行了解體檢查，解體后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場實物上的缺陷特征與振動監(jiān)測系統(tǒng)所判斷的結(jié)果高度一致，實現(xiàn)軋機預(yù)知維修。

2 設(shè)備振動故障機理及在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用典型案例

2.1 在線狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)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(tài)分析，發(fā)現(xiàn)二軸加速度包絡(luò)譜加速度包絡(luò)值趨勢出現(xiàn)明顯能量上升態(tài)勢，見圖2；對二軸包絡(luò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)異常峰值集中在轉(zhuǎn)頻的低頻區(qū)，進(jìn)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(luò)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(fā)現(xiàn)二軸離合器側(cè)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(chǎn)，擺剪齒輪箱振動趨勢明顯下降，恢復(fù)正常，見圖5。

圖5 更換軸承后二軸趨勢曲線

2.1.2 軸承內(nèi)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(luò)頻譜過程中，發(fā)現(xiàn)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(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)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(nèi)圈存在缺陷，見圖6。

圖6 軸承內(nèi)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(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈存在裂紋缺陷，見圖7。

圖7 軸承內(nèi)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(fù)正常，整體趨勢平穩(wěn)，見圖8。

圖8 更換后趨勢曲線平穩(wěn)

2.2 在線狀態(tài)監(jiān)測——齒輪故障診斷案例

齒輪傳動系統(tǒng)是一個彈性的機械系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)和運動關(guān)系的原因，存在著運動和力的非平穩(wěn)性。圖9是齒輪副的運動學(xué)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(tǒng)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(zhuǎn)速(r/min)；Z為齒輪的齒數(shù)。

邊頻帶。由于傳遞的扭矩也隨著嚙合而改變，它作用到轉(zhuǎn)軸上，使轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭振。而轉(zhuǎn)軸上由于鍵槽等非均布結(jié)構(gòu)的存在，軸的各向剛度不同，剛度變動的周期與軸的周轉(zhuǎn)時間一致，激發(fā)的扭振振幅也就按轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻變動。這個扭振對齒輪的嚙合振動產(chǎn)生了調(diào)制作用，從而在齒輪嚙合頻率的兩邊產(chǎn)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(tài)都發(fā)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(fā)現(xiàn)存在異常的振動幅值，同時在一軸上發(fā)現(xiàn)間隔約0.05s（轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)齒面磨損嚴(yán)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(wěn)、恢復(fù)正常，見圖12。

圖12 一軸輸入端趨勢曲線

類似的成功應(yīng)用案例還有許多，由于振動監(jiān)測系統(tǒng)提前發(fā)現(xiàn)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(shè)備事故，現(xiàn)在振動監(jiān)測技術(shù)已成為我廠設(shè)備狀態(tài)管理不可缺少的手段和工具。

3 設(shè)備在線監(jiān)測方面的應(yīng)用總結(jié)

在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要是通過在主要設(shè)備上安裝傳感元件，對設(shè)備振動、溫度、電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)測，建立關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測評價及預(yù)知維修體系，成立設(shè)備監(jiān)測評價小組，定期或不定期組織內(nèi)部或外部故障診斷技術(shù)交流，提高設(shè)備人員的業(yè)務(wù)技能，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)濟、可靠、穩(wěn)定運行，為安全生產(chǎn)、提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級及高質(zhì)量發(fā)展提供堅實的設(shè)備保障。