白云風，蔣燕生，錢建文，黃成雄

（云南馳宏資源綜合利用有限公司，云南 曲靖 655000）

1 背景

我司作為一家大型冶金企業(yè)，根據(jù)自身設(shè)備管理情況及經(jīng)濟效益需求，需為關(guān)鍵設(shè)備安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，并結(jié)合遠程故障診斷平臺提高設(shè)備的可靠性，提高設(shè)備管理的自動化。在線檢測系統(tǒng)在關(guān)鍵機組配套振動、溫度等感知部件，主要應(yīng)用振動分析為主狀態(tài)檢測參數(shù)，溫度等其它參數(shù)作為輔助分析參數(shù)，實現(xiàn)對機組運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、分析診斷，實現(xiàn)預(yù)測性維修，減少停機維修時間和成本。為及時預(yù)防性檢維修提供依據(jù)、達到延長設(shè)備運行壽命的最終目的，保證工業(yè)生產(chǎn)安全、順利進行。

2 在線監(jiān)測與遠程故障診斷平臺概述

在線監(jiān)測與遠程故障診斷平臺包括設(shè)備信息管理、數(shù)據(jù)采集、技術(shù)分析、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)管理、后臺管理6大功能模塊，其功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。按軟硬件劃分的話，數(shù)據(jù)采集模塊為硬件部分，其它模塊為軟件部分。

圖1 功能結(jié)構(gòu)示意圖

各功能模塊特點如下：

設(shè)備信息管理模塊：完成設(shè)備臺賬信息、設(shè)備說明書等文檔管理、全生命周期維檢修記錄以及設(shè)備故障案例庫管理。

數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊也是整個振動在線檢測系統(tǒng)的硬件部分，其支持主流通訊協(xié)議，可通過協(xié)議接口讀取PLC、DCS或第三方系統(tǒng)已采集的設(shè)備運行參數(shù)；如有需要，還可通過擴展數(shù)據(jù)采集終端及感知器件來采集設(shè)備更多維度的信息，為準確預(yù)測和診斷機組問題提供數(shù)據(jù)支撐；平臺提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入接口規(guī)范，如果已經(jīng)部署了其他監(jiān)測系統(tǒng)，可讓原設(shè)備廠家提供中間件，將其系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入該平臺進行統(tǒng)一管理。

技術(shù)分析模塊：提供專業(yè)化數(shù)據(jù)分析與故障診斷軟件，可以融合分析設(shè)備振動、溫度等數(shù)據(jù)，為專業(yè)技術(shù)人員進行根源性分析提供有力支持。同時提供智能預(yù)測與故障分析并生成分析報告。可以針對不同類型設(shè)備建立分析診斷模型，該模型與用戶具有互動驗證窗口，隨著模型運行時間及結(jié)果反饋信息的增加，模型將持續(xù)進化，其預(yù)測準確性將不斷提升。

統(tǒng)計分析模塊：根據(jù)設(shè)備長期運行參數(shù)數(shù)據(jù)，進行劣化趨勢分析預(yù)測，為一線員工提供清晰易懂的設(shè)備健康狀態(tài)結(jié)果。支持同類設(shè)備進行對比分析，可以為劣化預(yù)測曲線進行建模并修正。

數(shù)據(jù)管理模塊：對報警數(shù)據(jù)進行呈現(xiàn)與管理；實時數(shù)據(jù)展示每個設(shè)備各項檢測指標的數(shù)值，動態(tài)更新各設(shè)備運行狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)支持查詢每個設(shè)備各項指標的監(jiān)測歷史值，可以了解設(shè)備以往的運行狀態(tài)。數(shù)據(jù)可在電腦、移動終端上顯示，配置有專用的APP程序。

后臺管理模塊：負責平臺用戶管理和權(quán)限管理，根據(jù)使用應(yīng)用范圍的不同，設(shè)置可使用的系統(tǒng)功能；根據(jù)用戶的崗位，系統(tǒng)能夠定義可訪問的數(shù)據(jù)范圍；遵循嚴格身份認證和有限授權(quán)原則、全面確認原則和安全跟蹤原則，采用嚴格的安全體系，保證數(shù)據(jù)在處理和傳輸過程中的安全性。

3 系統(tǒng)拓撲及特色功能

見圖2，數(shù)據(jù)采集的感知部件，如振動加速度傳感器按照設(shè)備類型及工況，遵循傳遞路徑最短、剛性最強的原則在設(shè)備的軸承座上布置測點，然后通過具備屏蔽功能的線纜連接數(shù)據(jù)采集器。由采集器接收傳感器拾取到的數(shù)據(jù)，然后采集器將數(shù)據(jù)進行預(yù)處理借助無線、有線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器，布置在遠端服務(wù)器的軟件功能模塊將會將接收到的數(shù)據(jù)進行管理級處理，用戶可登錄授權(quán)的客戶端查看和管理相關(guān)報警等操作。

圖2 系統(tǒng)拓撲示意圖

系統(tǒng)特色功能：

（1）監(jiān)測平臺預(yù)留接入油液在線監(jiān)測接口，能夠顯示油品粘度、微量水分及污染度等相關(guān)參數(shù)；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)滾動軸承、滑動軸承類機組的在線監(jiān)測、診斷分析、報警等,同時具備位移信號軸心軌跡等滑動軸承分析方法和加速度信號共振解調(diào)分析方法（含包絡(luò)解調(diào)波形、包絡(luò)解調(diào)譜，并能夠在包絡(luò)解調(diào)譜上顯示滾動軸承缺陷頻率）；

（3）平臺軟件采用B/S架構(gòu)，具備良好的系統(tǒng)開放性、可擴展性和大規(guī)模數(shù)據(jù)管理和深層數(shù)據(jù)挖掘的能力；

（4）監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)采用無損數(shù)據(jù)處理技術(shù)(不允許使用有損壓縮技術(shù))，完整保留整個波形的數(shù)據(jù)信息，不影響早期故障、低頻類故障的分析診斷。數(shù)據(jù)刷新速度可根據(jù)用戶診斷分析需求調(diào)整，數(shù)據(jù)刷新速率最小可達1秒；

（5）支持通過顏色變化、聲光、短信推送報警信息；

（6）對于報警數(shù)據(jù)判斷類型支持轉(zhuǎn)速、幅值快速變化；

（7）啟停車狀態(tài)切換（從開到停，從停到開）同時作為預(yù)警信息的一種，能夠發(fā)送給用戶；在沒有鍵相和轉(zhuǎn)速接入時，也能夠判斷啟停車狀態(tài)，可設(shè)置是否保存停車數(shù)據(jù)；

（8）新建項目試車階段，或老項目大修后開機階段專用功能——試車事件記錄，以文字形式記錄啟停車事件，并支持后續(xù)查詢檢索；

（9）齒輪故障診斷專用信息：可配置齒輪箱故障診斷需要齒輪齒數(shù)信息，以自動計算嚙合頻率；

（10）滾動軸承故障特征頻率專用信息庫：滾動軸承故障診斷需要滾珠數(shù)、內(nèi)外圈直徑等專用信息，以計算滾動軸承四大特征頻率，設(shè)置該滾動軸承故障庫，內(nèi)置國內(nèi)外不低于3萬種標準滾動軸承的信息，直接輸入型號即可查詢出滾動軸承的尺寸信息，配置轉(zhuǎn)速后可自動實現(xiàn)故障特征頻率計算；

（11）數(shù)據(jù)處理方法：FFT、解調(diào)等，最大支持譜線數(shù)不低于409600線，有鍵相情況下實現(xiàn)整周期同步采集；

（12）具備故障案例庫功能，能夠錄入故障名稱、征兆，按照故障征兆檢索故障案例，上傳故障特征圖譜、檢維修照片等；

（13）當自身出現(xiàn)異常狀況時，能夠自檢通訊異常、數(shù)據(jù)存儲異常等，能給出信息提示自檢信息；

（14）智能診斷功能：具有滾動軸承、滑動軸承的智能診斷功能；

（15）具備診斷報告、報表自動生成功能。

（16）具備手機APP查看相關(guān)數(shù)據(jù)功能。

4 感知部件-加速度傳感器

該項目大部分設(shè)備的振動傳感器均采用壓電式加速度傳感器。壓壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器，結(jié)構(gòu)如圖3。它是利用某些壓電元件如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受到振動時，質(zhì)量塊施加在壓電元件上的力會隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比，由此便可測得被測物體的振動加速度，積分一次得到振動速度。加速度傳感器安裝使用方便，只需將信號電纜直接引至采集器即可。

本項目所有加速度傳感器部分參數(shù)如下：

（靈敏度（±5%）：100mV/g

測量范圍：±50g

頻率范圍（±5%）：0.58-6000 Hz

頻率范圍（±10%）：0.42-10000 Hz

頻率范圍（±3dB）：0.2-15000 Hz

諧振頻率（Resonnant Fresolution）：30kHz

5 振動數(shù)據(jù)分析原理-滾動軸承損傷分析原理簡述

在實際情況下，機電設(shè)備正常工作中，都會出現(xiàn)一定量的振動，同時還會產(chǎn)生強烈的噪音，如果機電設(shè)備在工作中某一部分發(fā)生了故障，相應(yīng)的振動情況和噪音的大小都會隨著發(fā)生一系列的變化，振動數(shù)據(jù)分析技術(shù)就是捕捉振動數(shù)據(jù)，通過識別這些振動變化來檢測故障。

近些年振動信號分析技術(shù)發(fā)展快速，振動數(shù)據(jù)已經(jīng)由模擬分析轉(zhuǎn)為利用計算機分析?？焖俑道锶~變換（FFT）的頻譜分析就是計算機分析技術(shù)的良好應(yīng)用，也是當前應(yīng)用最廣、最有效的振動數(shù)據(jù)分析方法。機械設(shè)備中常見的滾動軸承損傷，就是利用頻譜分析技術(shù)識別軸承各部位損傷產(chǎn)生的頻率特征來判定軸承故障。

常見滾動軸承主要由內(nèi)、外圈、滾動體和保持架組成，是機械設(shè)備中的易損部件。滾動軸承的故障往往由安裝不當、潤滑不良、過載、運行中疲勞和磨損等原因引起，滾動軸承后期損傷可致使設(shè)備停運，如果冶金生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備因為軸承故障停運可能會導致整個生產(chǎn)線停產(chǎn)，所以及時發(fā)現(xiàn)軸承故障非常重要。

當滾動軸承所屬部件在運行中存在缺陷時，會產(chǎn)生周期性沖擊力，并激發(fā)缺陷部件以固有頻率進行高頻衰減的振動，這種高頻固有振動作為軸承故障信號的載波，其幅值將受到這些故障引起的振動信號的調(diào)制，從而使?jié)L動軸承的最終振動時域波形表現(xiàn)為復雜的幅值調(diào)制波。由于這種調(diào)制波的調(diào)制頻率與故障缺陷特征頻率相對應(yīng)，因此調(diào)制波所對應(yīng)的復雜頻率成分中含有與故障缺陷對應(yīng)的故障特征頻率。滾動軸承的振動故障分析技術(shù)就是通過識別以上所述的故障特征頻率來定位軸承的故障點。

根據(jù)滾動軸承特征頻率的理論，在假定外圈固定的情況下，內(nèi)圈隨傳動軸旋轉(zhuǎn)，滾動體個數(shù)為N，內(nèi)、外圈與滾動體之間為純滾動。在外圈固定的情況下，其通過頻率如下：

內(nèi)圈通過頻率：

外圈通過頻率：

滾動體通過頻率：

保持架通過頻率：

式中，N為滾動體數(shù)目、db為滾動體直徑、D為軸承節(jié)徑、β為接觸角（見圖4）、fr為內(nèi)外圈的相對轉(zhuǎn)動頻率，當外圈固定時，即為軸的轉(zhuǎn)動頻率，常見軸承的故障特征頻率各大軸承廠商提供在線查詢。

圖4 滾動軸承參數(shù)示意圖

6 案例分析

近期，故障診斷平臺對一臺大型離心風機電機測點報警，報警提示為軸承故障。技術(shù)人員立即組織對該風機進行手持儀表采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)復檢，發(fā)現(xiàn)其動力輸入源電動機的驅(qū)動端振動數(shù)據(jù)異常，設(shè)備參數(shù)及分析如下：

部分設(shè)備參數(shù)：

設(shè)備類型：離心風機

傳動鏈結(jié)構(gòu)簡圖：如圖1

電機額定功率：1600KW

電機額定轉(zhuǎn)速：998r/min（變頻調(diào)速）

實際工作轉(zhuǎn)速：600r/min（12.2Hz）

圖5 風機傳動鏈簡圖

分析診斷與驗證：

對風機機組振動數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，電動機各測點振動速度有效值（圖6）較小(10～1000Hz、最大RMS 1.168mm/s)。但電動機機驅(qū)動端測點加速度時域波形中可見明顯幅值調(diào)制現(xiàn)象（圖7），峰值間隔約為0.43倍轉(zhuǎn)頻（0.43X），加速度頻譜中也可見0.43倍轉(zhuǎn)頻頻率成分（圖8）；速度時域波形及頻譜中同樣可見0.43倍轉(zhuǎn)頻的頻率成分（圖9、圖10）；解調(diào)譜圖中未見異常；現(xiàn)場聽診噪音異常。

圖6 電動機各測點2-1000Hz速度有效值）（MNDE:電動機非驅(qū)動端，MDE電動機驅(qū)動端）

圖7 電動機驅(qū)動端加速度時域波形

圖8 電動機驅(qū)動端加速度頻譜

圖9 電動機驅(qū)動端速度時域波形

圖10 電動機驅(qū)動端加速度頻譜

內(nèi)圈固定外圈旋轉(zhuǎn)的滾動軸承保持架故障往往會產(chǎn)生約0.4倍轉(zhuǎn)頻的特征頻率，經(jīng)查電機驅(qū)動端軸承為SKF的NU236，其保持架的特征頻率為0.43倍的轉(zhuǎn)頻。綜合分析認為，風機電動機驅(qū)動端軸承保持架存在中后期的物理損傷。建議立即準備備件，具備檢查檢修條件時立即停機檢查、檢修。

檢查、維修驗證

設(shè)備管理人員接到診斷結(jié)果及維護建議后，立即準備備件，并調(diào)整生產(chǎn)計劃，對風機電動機檢查維修。當打開電機驅(qū)動端軸承蓋后發(fā)現(xiàn)油脂中有“亮片”式金屬碎屑，在該位置產(chǎn)生此種碎屑的最大可能性為軸承；清洗軸承后發(fā)現(xiàn)該金屬碎屑是由于軸承保持架過度磨損（圖11）對滾動體產(chǎn)生的二次損傷。

圖11 保持架磨損，間距明顯變大，局部“卷邊”

案例分析總結(jié)：

軸承保持架損傷，振動的幅值可能不會出現(xiàn)明顯的變化，但在時域波形中會出現(xiàn)特征頻率沖擊，保持架損傷，現(xiàn)場聽診會出現(xiàn)周期性噪音。建議傳統(tǒng)診斷與現(xiàn)代診斷技術(shù)相結(jié)合，當機組振動幅值較小但聽診出現(xiàn)異常噪音時重點關(guān)注，適時利用振動檢測及故障診斷技術(shù)定位故障點。

7 總結(jié)

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗我司與專業(yè)科技公司合作，依托在線檢測系統(tǒng)與遠程故障診斷平臺，對設(shè)備的健康狀態(tài)形成了一個有效的監(jiān)測、故障預(yù)警體系。在考慮到經(jīng)濟性及其它因素，我司在關(guān)鍵主機設(shè)備（焙燒離心鼓風機、蒸汽透平發(fā)電機組、鍋爐給水泵等）安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)，并配備一臺多功能手持監(jiān)測儀作為其它設(shè)備日常巡檢和關(guān)鍵主機設(shè)備復檢的手段。這種情況下在線監(jiān)測系統(tǒng)可24小時對關(guān)鍵主機設(shè)備進行實時監(jiān)測，未納入在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備可通過手持監(jiān)測儀進行定期巡檢監(jiān)測，從而對全廠設(shè)備形成全方位立體無死角監(jiān)測體系。

在整個振動監(jiān)測體系中，還可按企業(yè)標準、國家標準等自由設(shè)置報警閾值，為了解被監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)提供有效的數(shù)據(jù)支撐；另可對被測設(shè)備進行各項振動監(jiān)測數(shù)據(jù)自由組態(tài)，根據(jù)設(shè)備的工況、結(jié)構(gòu)特點進行“一機一方案”的針對性監(jiān)測，從而保證獲得高質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而對設(shè)備故障提供早期的故障預(yù)警。

在線監(jiān)測與遠程故障診斷平臺有效的為設(shè)備預(yù)知性維修提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐，也為設(shè)備維護人員制定維修方案及措施提供了有效保障，確保了設(shè)備的可靠性、安全性和高運轉(zhuǎn)率，可避免因設(shè)備故障造成更大的安全事故以及經(jīng)濟損失。