轧钢机械设备论文：基于振动监测的设备故障诊断技术在大型轧钢机械上的应用.pdf

第6期总第178期冶 金 丛 刊Sum 178 N o 6 2 0 0 8年1 2月METALLURGICAL COLLECTI ONSDecember 2 0 0 8 作者简介 李小雁 1963 男 工程师 大学本科 1986年毕业于北京钢铁学院冶金机械专业 1 基于振动监测的设备故障诊断技术 在大型轧钢机械上的应用 李小雁 张文斌 广州钢铁股份有限公司 广东 广州510381 摘 要 对基于振动的设备故障诊断技术做了较全面和深入的介绍 通过实例介绍了该诊断技术在轧钢机械领域 的应用 指出该诊断技术可同时对一个测点进行复杂的时域 频域 相关域 统计域等分析 具有一定的趋势预测 分析能力 关键词 轧钢机械 振动监测 故障诊断 中图分类号 TG333 文献标识码 A 文章编号 1671 3818 2008 06 0024 06 APPL ICATI ON OF VIBRATING MONITORING BASED FAULT D IAGNOSIS TECHNOLOGY ON THE LARGE SCALE STEEL ROLL ING MACHINE Li Xiaoyan ZhangWenbin Guangzhou Iron Steel Co Ltd Guangzhou 510381 Guangdong Abstract The vibrating monitoring based fault diagnosis technology was introduced generally and deep2 ly The application of the diagnosis technology on steel rolling machines was also introduced by exam2 ples The technology could simutaneously analyzed a monitoring point about its time domain frequency domain correlation domain and statistic domain And it has the analyses ability of trend2based forcasting Key words steel rolling machine vibrating monitoring fault diagnosing 1 前言 轧钢机械属于大型的旋转机械 是轧钢厂的关 键设备 转轴组件是轧机的核心部分 它包括旋转 轴 齿轮传动件 联轴器 滑动和滚动轴承等 人们 通过长期观察和实践 发现旋转机械的绝大多数前 期故障都会表现出异常的振动 因此掌握机械振动 的一般规律就能从振动信号中识别出常见的设备故 障 通过对振动信号波形进行简单的时域 频域以 及小波分析可对振动进行一般的识别 振动的可识 别性是对机械故障进行振动噪声测试分析的技术前 提 因此 采用在设备诊断技术领域较成熟的振动 分析技术作为技术的突破口对轧钢机进行日常振动 状态监测 就能在设备运行中或基本不拆卸全部设 备的情况下 掌握轧机运行状态 判定产生故障的部 位和原因 并预测未来的技术状态 从而可在早期有 效地发现 以及在后期及时地抑制故障 保障生产的 可持续发展 2 信号识别与获取 任何机器设备在运行中都会产生振动 机器的 振动信号中包含了丰富的机器运行的状态信息 当 设备发生异常或故障时 振动将会发生变化 一般表 现为振幅加大 由不同类型 性质 原因和部位产生 的故障所激发的振动具有不同的特征 这些特征表 现为频率成分 幅值大小 相位差别 波形形状和能 量分布状况等 振动信号的性质和特征不仅与故障 有关 还与系统的固有特性有关 具体表现为同一故 第6期李小雁等 基于振动监测的设备故障诊断技术在大型轧钢机械上的应用 25 障发生的部位不同 故障激励传递通道 即传递函 数 不同 其振动特征和响应亦会有较大的差别 总之 设备的振动是由故障激励和系统特性所共同 决定的 但很多情况下 振动特征和故障类型之间并 不是一一对应的关系 不能简单地对号入座 这就给 振动的识别带来一定的困难 因此 振动的识别对 于设备诊断技术的完善是至关重要的 轧钢机械工作时轧件是非连续地被轧制的 其 转速并不恒定 功率更是从空载到满负荷间周期地 波动 从原动机到轧辊间有庞大的传动和减速机 构 可能出现的故障类型很多 因此检测设备 测点 点检方式和点检时间的选择对诊断的准确与否起关 键作用 为保证所测数据具有可比性 在测定数据 时应遵循以下几点原则 每次测量要在同一测点 进行 否则由于激振源到测点的传递函数不同 而使 测量的结果相差很大 保持每次测量时机器的工 况相同 保持测量的参数相同 一般来说 频率在 10 100Hz的振动应以位移作为数采器的输出参 数 频率在100 1 000Hz的振动应以速度作为数采 器的输出参数 频率在1 000Hz以上的振动应以加 速度作为数采器的输出参数 使用的仪器相同和 测量的方法 如传感器及其固定方式 相同 在测振过程中 测点的选择同样影响监测结果 其选择原则是 1 测点应选择在振动信号传递的通道上而且 路线最短的位置 尽量减少中间传递介质 2 测点应选在信号反应比较敏感的部位 如 轴承座 机座等 3 测点应选择在便于多方位测量的位置 一 般测振动要选定三个方向 水平X 垂直Y 轴向 A 来评定 特别对低频振动 更要强调其方向性 高频 振动对方向不敏感 4 对于大型机械设备 受传递函数的影响 应 多点检测 3 轧钢机械等旋转机械的常见故障及 其诊断方法 旋转机械的常见故障 按转子类型和振动性质 的不同 可分为 转子不平衡 转子不对中 基座或装 配松动 转子与定子摩擦 感应电机振动 滚动轴承 故障 齿轮机构的振动等 利用振动监测技术对这 些常见机械故障可进行较为准确的诊断 3 1 转子不平衡 不平衡是旋转机械中最常见的一种故障 引起 不平衡的原因较多 如安装不良造成偏心 配合松 动 轴弯曲变形 加工制造误差以及长期运行中产生 不均匀磨损等 我们从离心力的计算公式易知 不 平衡振动对转速的变化是最敏感的 转子不平衡的 振动特征是 刚性转子在启动时振幅随转速的增大 而增大 柔性转子在启动时振幅是先增大而后减小 在频率特征方面 不平衡振动的频率成分单一而明 朗 主要表现为转子的基频 在相位方面 水平和垂 直方向的振动相差90 且通常水平方向的振动比 垂直方向的大 径向振动比轴向振动要大 3 2 转子不对中 转子不对中是指转子中心与轴承中心不对中 或多转子系统中各转子的轴线不对中 也是旋转机 械的一类多发性的典型故障 不对中有三种类型 即平行不对中 角度不对中 综合不对中 其产生的 原因有 转子及支座安装不良 轴承支座不均匀膨胀 引起变形 地基变形以及热不对中等 转子不对中 的振动特征是 当转子不对中时将产生一种附加弯 矩 形成附加激励 故轴向振动往往是存在不对中的 一种征兆 在振动频率特征方面 平行不对中主要 激起2倍转频 角度不对中则表现为同频振动突出 它们的共同点是以旋转频率的2倍频或4倍频为 主 尚伴有高次倍频 在相位特征方面 平行不对中 时 转子两端径向振动相位相差180 角度不对中 时 联轴器两端轴向振动相位相差180 而径向相 位相同 3 3 基座或装配松动 松动常和不平衡相伴生 表现为非线形的振动 特征 地脚松动引起的振动方向特征很明显 表现 在垂直方向的振动很强烈 由零件配合松动引起的 振动 其方向特征不明显 在振幅方面 松动引起的 振动随负荷的增加而增大 但对转速表现出无规律 的变化 忽大忽小 呈跳跃式变化 在振动频率特 征方面 除基频成分外 基频的奇数倍频突出 常高 于基频的幅值 伴有3倍 5倍 7倍及0 3 0 5倍 的谐波成分 频谱结构成梳状 3 4 转子与定子摩擦 此类摩擦属干摩擦 大多表现为径向摩擦 摩 擦振动属于非线性振动 频带范围很宽 除基频外 还有2倍 3倍以及1 3 1 2等谐波成分 在时域 波形上 常表现为削波状态 截头余弦 形状的波 形是摩擦故障特有的重要标志 在某些特殊情况 下 摩擦还可能激起系统的固有频率振动 3 5 感应电机振动故障特征 26 冶 金 丛 刊总第178期 电动机是一种典型的旋转机械 在机械故障的 表现方面具有旋转机械的共同特点 如存在转子不 平衡 不对中 松动 摩擦等故障类型 感应电机的 振动故障的一大特点是包括机械和电气两方面内 容 发生的故障除机械因素外还与电气相关 如转子 与定子间磁隙不均匀 电压不稳定 匝间短路等也会 引起电机的异常振动 当电动机在运行中突然给它 断电 其时如果振动立即下降为零 即说明电动机存 在电气方面的故障 否则 属于机械故障 3 6 滚动轴承故障 滚动轴承是旋转机械转子系统的重要支撑部 件 其基本结构包括外圈 内圈 滚动体 保持架等元 件 对滚动轴承实施振动诊断的基本方法是频率分 析 因为滚动轴承每一个元件都有其各自的故障特 征频率 理论上 通过频率分析不但能判断轴承有 无故障 而且可以具体判断轴承中损坏的元件 滚 动轴承的故障特征频率 简化计算 为 内圈通过频 率F 0 6Z Fr 外圈通过频率F 0 4Z Fr 保持 架通过频率F 0 4Fr 其中Z为滚动体个数 Fr为 轴承内圈回转频率 还需指出的是滚动轴承的振动 与安装也有关 如安装滚动轴承的旋转轴系弯曲 轴 承装歪 轴承紧固过松或过紧都会引起振动 其振动 频率成分也含有滚动体通过频率和高次谐波 3 7 齿轮机构的振动特征及诊断 齿轮是旋转机械的重要部件 其运行状态的好 坏直接影响到整个机组的正常工作 在齿轮箱中的 各类零件中 失效比例分别为齿轮60 轴承19 轴10 箱体7 紧固件3 油封1 可见在所 有零件中齿轮自身的失效比例最大 根据国外抽样 统计的结果表明 齿轮的各种损伤的概率为 断齿 41 齿面疲劳31 齿面磨损10 齿面划痕 10 其它故障8 在理想渐开线齿形及齿轮刚 度无穷大的假设下 一对齿轮在啮合运动中是不会 产生振动的 但由于制造 安装及齿轮刚度不可能为 无穷大等方面的问题 一对新齿轮在啮合运动中也 会产生振动 通过对齿轮运动方程的分析可知 正 常齿轮传动中由于啮合刚度的周期性变化会引起参 数振动 由于齿形误差的随机激励可能会引起齿轮 弹性系统的共振 当齿轮出现故障时 振动往往会加 剧 也会产生一些新的频率成分 这些都是齿轮的特 征频率 齿轮特征频率主要有3种 即齿轮啮合频 率 齿轮自振频率和齿轮边频带 定轴转动的啮合 频率为F Z Fr 行星轮系的啮合频率为F Z Fr Fc 其中Z为齿轮齿数 Fr为齿轮旋转频率 Fc为转臂旋转频率 直齿圆柱齿轮自振频率为F k m 1 2 2 其中k为齿轮副的弹簧常数 m为 齿轮副的等效质量 其它类型齿轮的自振频率一般 由试验测定 不随转速改变而恒有的频率分量通常 就是系统的固有频率 齿轮固有频率一般为1 10 kHz 当齿轮存在故障时 由于载荷波动而产生 幅值调制 由于转速波动而产生频率调制 因此在啮 合频率或固有频率两旁产生等间隙 1X 的一簇边 频 通过振动诊断判别齿轮状态 最有效可行的方 法是分析齿轮振动功率谱的变化 其次是分析倒频 谱 如果仪器的信噪比高 倒频谱分析效果也很 好 首先看啮合频率幅值的消长 二是要看啮合 频率谐波的分布 三是看边频 随着齿轮故障的发展 和振动能量的增加 边频越来越丰富 幅值也增加 边频分析通常要先将谱细化 4 诊断实例分析 对轧机进行日常振动状态检测所需的工具主要 有振动传感器 数据采集器 配套软件等 目前市面 上已有此类成套的设备出售 我们选用的是北京圣 迪公司的振通904型振动动平衡一体化仪器 它的 主要功能是检测振动信号并进行采集记录和预处 理 通过RS232C标准串行口与微机 P486以上 通 讯后可以将记录在仪器中的各种数据送入微机中 借助仪器附带的波形分析软件可对采集到的数据进 行时域 频域 统计域等方面的分析 做更精细的设 备故障分析和诊断 建立设备状态数据库 预报设备 状态发展趋势等 运用该仪器可以对轧机日常运行 时的振动进行检测 掌握轧机的运行状态 发现和跟 踪轧机的早期故障 提出维修计划 跟踪维修质量 等 以广钢连轧厂12 轧机为例 利用基于振动的 设备故障诊断技术对其进行一次全面的分析诊断 根据测点选择原则 我们选取了3个测点 图6中 ZJ12 1 ZJ12 2 ZJ12 3 2005年3月29日12 轧机被诊断为发生了齿 轮断齿故障 当天的点检现象 轧机无异响 但振值 和波形有故障迹象 尤其是ZJ12 1测点的信号特 别明显 诊断过程用到了振值表 表1 其数值为最 近6个月内的数值 时域波形 图 1 自相关图形 图 2 幅值谱图 图 3 概率密度图 图 4 倒频 谱图 图 5 第6期李小雁等 基于振动监测的设备故障诊断技术在大型轧钢机械上的应用 27 表1 测点振值数据 测点名检测日期过程变量过程变量值频程输入方式加速度速度位移高频结果评语 ZJ12 1X 2004212202T801 000S5 452 846 11 07OK0 2004212207T801 000S6 542 876 31 57OK0 2004212223T801 000S8 152 345 70 55OK0 2004212230T801 000S6 542 205 10 07OK0 2005201206T801 000S8 112 506 30 20OK0 2005201227T801 000S10 102 603 31 10OK0 2005202224T801 000S7 782 463 30 68OK0 2005203229T801 000S10 162 766 00 93OK0 2005203231T801 000S10 303 217 10 60OK0 2005201206T801 000S9 623 667 60 08OK0 ZJ12 1Y 2004212202T801 000S4 251 844 00 46OK0 2004212207T801 000S4 031 473 60 39OK0 2004212223T801 000S5 142 235 60 59OK0 2004212230T801 000S6 442 186 90 07OK0 2005201206T801 000S7 881 585 40 11OK0 2005201227T801 000S9 842 525 31 11OK0 2005202224T801 000S4 812 235 30 74OK0 2005203229T801 000S10 562 666 70 96OK0 2005203231T801 000S9 493 067 20 60OK0 2005201206T801 000S7 821 807 70 39OK0 图1 时域波形图 28 冶 金 丛 刊总第178期 图2 自相关分析图 测点 ZJ12 1Y 图3 概率密度图 测点 ZJ12 1Y 图4 幅值谱图 测点 ZJ12 1Y 图5 倒频谱图 测点 ZJ12 1Y 第6期李小雁等 基于振动监测的设备故障诊断技术在大型轧钢机械上的应用 29 通过对表1 图1 图2 图3 图4 图5和图6对 12 轧机进行的全面分析诊断如下 1 振值表 在6个月里振值表内各项指标没 有明显增大现象 表明振动级数和能量在故障前后 未有明显变化 小部分断齿对振值表内各项指标不 敏感 这也解释了故障时设备无异响的原因 2 时域波形 在时域波形中可明显看到振动 含有剧烈周期冲击 冲击波形突然上升又突然衰减 且极其陡峭 极有可能发生了突发性故障 经计算 冲击周期为65 6ms 即频率为15 244Hz 当天电 机转速为914r m 转频为15 244Hz 可见 输入轴 电机轴 的转频与冲击频率惊人地吻合 由此可 判断冲击故障就发生在输入轴上 加上考虑冲击特 性可初步判定输入轴的齿轮可能发生了断齿 3 自相关分析 在自相关图上可看到图形收 敛性异常 在T1 63 7和T2 128 9处图形趋于发 散 可断定在信号中存在T 65 2周期成分 此周 期与时域中的冲击周期一致 故时域中判定的冲击 在相关域中得到了证实 4 概率密度 在统计域中发现振动信号峭度 达4 013 远远超出正常范围 2 3 峭度指标是 一项反映波形尖峭程度和冲击大小的无量纲指标 峭度超标更证实了振动信号中存在异常的冲击能 量 对正常的轧钢过程而言 载荷波动会引起峭度 轻微超标 峭度达4 013最可能的就是发生了断齿 5 幅值谱分析 将幅值谱细化后可看到在 300Hz和440Hz频率两旁存在边频带 1X 16 边频 带是齿轮和轴承类冲击故障信号经频率调制后的特 有现象 经计算冲击频率与输入轴转频相等而与轴 承的