时域波形频域分析在加热炉风机故障中的应用

1、时域波形、频域分析在加热炉引风机故障诊断中的应用高线二厂李元文一、概述随着科学技术与生产的发展，机械设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来 越高，同时设备更加复杂，各部分的关联愈加密切，往往某处微小故障就爆发链锁反应，导 致整个设备乃至与设备有关的环境遭受灾难性的毁坏。这不仅造成巨大的经济损失，而且会 危及人身安全，后果极为严重。故而采用设备故障诊断技术，保证设备可靠而有效地运行是 极为重要的。设备故障诊断技术是20世纪7080年代迅速发展起来的一门多学科交叉和融合的新型技 术，它的应用为保障设备安全运行、对设备故障的发展作出早期预报、对出现故障的原因作 出判断并提出对策建议、为实现从

2、现行的“定期维修”向更合理的“预测维修”的转变提供 了条件。在设备故障诊断技术中，常用的有时域波形分析及频谱分析：振动信号以位移、速度、 加速度三个参量表示，其最简单、最直观的表现形式就是时域波形。对于某些故障信号，其 波形具有明显特征，直接观察可以看出周期信号、谐波信号、短脉冲信号，这时利用波形分 析可以直接识别共振现象及调制现象，从而可直接用来对设备故障作出初步判断；将时域信 号变换成频域信号加以分析的方法，称为频域分析。频域分析是基于频谱分析展开的。频谱 分析就是把时间域的各种动态信号变换到频率域进行分析，其目的是把复杂的时间波形，经 傅立叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号

3、的频率结构以及各谐波幅值、相 位、功率及能量与频率的关系。也就是将构成信号的各种频率成分都分解开来，以便于振源 的识别，亦即确定故障的部位。二、引风机的故障诊断高线二厂于 2003 年初建成投产，它的年设计产量为 50 万吨，设计最高轧制速度是 110m/s。 其主要设备有两座蓄热式步进底式加热炉，28 架平立交替轧机，3 台卡断剪，3 台飞剪和 P/F 线悬挂运输机，其中 4 台预精轧机、10 架精轧机、夹送辊及高速吐丝机等主要设备由意大利 “达涅利”公司引进。两座蓄热式步进底式加热炉各有两台鼓风机和一台引风机，两台鼓风机为一用一备，而 引风机就没有备用机了，所以，一旦引风机出现突发性事故，

4、往往导致生产线停产，造成较大的经济损失。两台引风机均为悬臂式风机，其示意图见图 1。其中低温炉引风机为Y9-38N010D 型离心引风机，电机型号为 Y280S-4，额定转速为 1480rpm；高温炉引风机为 Y8-39N011.2D 型离心引风机，电机型号为 Y280M-4，额定转速为 1480rpm。两台引风机所使 用的轴承型号都为 22316，联轴器都是弹性套柱销联轴器。轴承 3轴承 4图 1引风机示意图1、低温炉引风机6 月 14 日，我们发现低温炉引风机 4H 点（轴承 4 水平方向）振动值明显加大：6 月 10 日中班 1.328mm/s，6 月 14 日夜班 8.270mm/s，

5、增大了近 6 倍。首先，我们对 4H 点的瀑布图（见图 2）进行分析：其谱图结构有了非常明显的变化，几图 2低温炉引风机瀑布图条谱线的值明显地加大了，这意味着该设备存在着故障隐患。为了确诊故障隐患，我们又对4H 点的波形、频谱（见表 1）进行分析：电机转速 1480rpm，即 电机转频=1480rpm/60s25Hz从频谱图的各频率分量中我们看到的是 25Hz 及其倍数，即基频分量最大，同时还存在较大的 二到四倍频的分量，除此之外没有其它的频率分量了，这说明不存在轴承、风机叶轮及松动 等隐患；而该时域波形图近似于正弦波的形状，正弦波是存在不平衡的典型的时域波形。故而，结合波形图和频谱图我们推断

6、这是由于转子失衡而引起的故障隐患。表 1PMS 设备巡检系统：低温炉引风机 4H 点的时间波形与频谱综合报表 工厂:三钢二高线 车间:机动部（10） 机器:低温炉引风机 测点:4H频率(Hz)25.0050.00100.0075.00幅值(mm/s)8.387.003.071.77频率(Hz)125.0047.5052.5065.00幅值(mm/s)0.780.630.440.43平均幅值方根幅值均值有效值波形指标6.7135.7840.0188.2701.232脉冲指标峰值指标裕度指标歪度指标峭度指标3.2772.6603.804-0.933-0.1246 月 14 日上午日修时，将低温炉引

7、风机开盖检查发现，由于受腐蚀，机壳上一块约 200*200 见方的钢板掉在叶轮上，并随叶轮一起旋转，而产生不平衡，促使振动值在短短的三天多时 间加大了 6 倍多。并且，当钢板转到高位时又掉回到低位，如此循环地转动着。所以出现了 波形图中上下不对称的结构，也是频谱图中出现二、四倍频的原因。故障排除后，振动值就 恢复了正常，6.14 中班降为 1.695mm/s（见表 2）。由于对故障隐患的及时发现、排除，避免 了一次设备事故的发生。表 2PMS 设备巡检系统：隐患排除后低温炉引风机 4H 点的时间波形与频谱综合报表频率(Hz)25.00100.0050.00122.50幅值(mm/s)2.310

8、.230.200.16频率(Hz)47.5090.00125.00217.50幅值(mm/s)0.150.150.110.10平均幅值方根幅值均值有效值波形指标1.5201.3970.0021.6951.115脉冲指标峰值指标裕度指标歪度指标峭度指标2.2362.0052.434-0.132-1.3482、高温炉引风机近一段时间来监测发现，我厂高温炉引风机 3A、4A（轴承 3、4 的轴向）的振动值有明显地加大：3A 点，8月1 日为 5.242mm/s，8月9 日为 11.64mm/s；4A 点，7月2 日为 6.947mm/s，7 月 18 日为 7.563mm/s，8月4 日为 12.0

9、7mm/s。先分析 3A、4A 点的瀑布图（见图 3、4）：由图 3 可见，3A 点的谱图结构出现明显的变化， 增加了频率高的几条谱线，在原有的谱线中有几条的值也加大了；由图 4 可见，4A 点的谱图 结构没有变化，但是，其中有几条谱线的分量值加大了。为了确诊设备的故障原因，我们对图 3高温炉引风机 3A 瀑布图图 4高温炉引风机 4A 瀑布图3A、4A 点的波形、频谱图（见表 3）进行分析：电机转速 1480rpm，即电机转频=1480rpm/60s25Hz在 3A、4A 点的时域波形及指标中，没有不平衡、不对中的信号出现；在 4A 点的频谱图中， 呈现出“梳状”结构，有较多的高次倍频分量存

10、在，这是松动的表现；同样在 3A 点的频谱图 中也有“梳状”结构，但与 4A 点略有不同：在 500650Hz 范围有少量的能量出现，这是轴 承故障频率的区域，反应出轴承有潜在的隐患。综合前面的结果，我们推断：3A、4A 点都是 松动引起的故障隐患，又由于叶轮的装配为过盈配合，松动的可能性小，所以应该是在轴承 部位的松动，且 3A 点还有轴承故障隐患。表 3PMS 设备巡检系统：高温炉引风机 3A、4A 时间波形与频谱综合报表工厂:三钢二高线 车间:机动部（6.5） 机器:高温炉引风机 测点:4A平均幅值方根幅值均值有效值波形指标9.9018.592-0.03912.071.219脉冲指标峰值

11、指标裕度指标歪度指标峭度指标3.7273.0574.2950.126-0.185频率(Hz)150.0025.00175.00172.50幅值(mm/s)6.715.785.645.36频率(Hz)125.00100.00180.00155.00幅值(mm/s)3.813.673.152.62工厂:三钢二高线 车间:机动部（6.5） 机器:高温炉引风机 测点:3A频率(Hz)125.00172.50122.50170.00幅值(mm/s)6.135.925.905.46频率(Hz)120.0025.00197.5097.50幅值(mm/s)4.013.753.562.47平均幅值方根幅值均值有

12、效值波形指标9.3317.851-0.02911.641.248脉冲指标峰值指标裕度指标歪度指标峭度指标3.9123.1354.649-0.215-0.247经对轴承开盖检查发现：3A 点轴承跑内圈，4A 点轴承游隙达到 0.1mm，超过标准值近一 倍。8 月 19 日检修时，我们更换了高温炉引风机的轴承、轴及叶轮。更换后，3A 点的振动值为 3.060mm/s，4A 点的振动值为 4.513mm/s，均在允许值的范围内（见表 4）。表 4PMS 设备巡检系统：隐患排除后高温炉引风机 3A、4A 时间波形与频谱综合报表工厂:三钢二高线 车间:机动部（6.5） 机器:高温炉引风机 测点:3A平均

13、幅值方根幅值均值有效值波形指标2.3311.914-0.0153.0601.313脉冲指标峰值指标裕度指标歪度指标峭度指标5.0193.8246.114-0.1180.747频率(Hz)50.00130.00125.0065.00幅值(mm/s)1.381.231.181.10频率(Hz)135.0030.0095.0087.50幅值(mm/s)0.950.930.900.78工厂:三钢二高线 车间:机动部（6.5） 机器:高温炉引风机 测点:4A频率(Hz)150.0030.0065.00142.50幅值(mm/s)3.701.871.461.17频率(Hz)50.0060.0055.00145.00幅值(mm/s)1.101.091.091.07平均幅值方根幅值均值有效值波形指标3.6043.0580.0334.5131.252脉冲指标峰值指标裕度指标歪度指标峭度指标4.0513.2354.774