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熱軋精軋主傳動振動在線監(jiān)測及故障診斷設計

　　本文闡述了鞍鋼股份鲅魚圈分公司熱軋精軋主傳動振動在線監(jiān)測及故障診斷系統的總體設計、基本構成及數據存儲策略等。系統可實現軋鋼恒定轉速下的數據采集及存儲，使頻譜分析效果更佳。
 

　　1、引言

　　鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司熱軋1580生產線于2008年9月投產使用，其精軋機組由7架軋機構成，即F1-F7軋機。機組的主傳動設備包括7臺電動機、2臺減速機(F1，F2軋機)及7臺齒輪機座。從開工至今，共發(fā)生三起齒輪機座軸承損壞的事故，且其中一次導致了齒輪軸的齒面受損，給生產造成了巨大的經濟損失。因此，確保精軋機組主傳動設備的穩(wěn)定運行具有重要意義。

　　目前，振動在線監(jiān)測在其他鋼廠的同類機組上已有應用，但有些機組的實際應用效果卻不甚理想。這其中既有管理原因也有技術原因，管理原因是系統安裝后無人維護，數據無專業(yè)分析;技術原因是熱軋精軋主傳動設備的變速、變載工況復雜，軋機咬鋼和拋鋼產生的沖擊造成設備振動瞬間增大，此外振動信號還受轉速、軋制力、軋制鋼種、接軸、工作輻振動等影響，這都給精軋主傳動設備的故障診斷帶來較大的困難。因此，安裝一套切實可行、界面友好、能準確診斷軸承和齒輪故障的振動在線監(jiān)測及故障診斷系統亟待解決。
 

　　2、系統結構

　　2.1總體設計

　　熱軋精軋機組主傳動監(jiān)測系統需要在減速機、齒輪機座上安裝振動加速度振動傳感器，同時將設備的轉速、工藝量參數(電流或軋制力信號)等引至數據采集模塊。采集模塊及相關附件(接線端子、24V電源轉換器、空氣開關等)安放于現場機旁的儀表箱中，通過屏蔽線纜將上述振動、轉速及工藝量參數等信號引入數據采集器，每臺數據采集模塊通過網線聯入機旁的一臺發(fā)射數據的無線路由器，同時在精軋操作臺上安裝一臺接收數據的無線路由器，再通過網線將操作臺的無線路由器輸出數據連接到廠內的局域網內，在主電室的二級機房內放置一臺服務器，即可將所有數據采集器的數據通過工廠局域網傳送到服務器上，廠內的數據分析及管理人員可以在廠內局域網上的任一臺客戶端PC機上對精軋機組的主傳動設備進行監(jiān)測和分析，具體結構見圖1。

　　2.2硬件部分

　　精軋主傳動監(jiān)測系統先期在2臺減速機、7臺齒輪機座上安裝了36個振動監(jiān)測點，監(jiān)測位置均為各齒輪箱軸承的水平方向。傳感器選用低頻振動加速度傳感器，型號WT135-1D，靈敏度500mV/g，頻響范圍0.1-10kHz，安裝方式為永久安裝，即在設備表面加工一個6-8mm深、M6的孔，然后用雙頭螺釘將傳感器旋緊連接。考慮到傳感器為側出口線，每個螺釘底部均裝有調整墊片，可使傳感器旋緊后的側出口線纜排列整齊有序。為提高振動分析的準確性，監(jiān)測系統在F1-F7軋機齒輪機座輸入軸側還安裝7個轉速傳感器。因精軋機組主傳動設備的振動受實時負載的影響較大，需引入工藝量參數以區(qū)分軋鋼和空過的狀態(tài)，電流信號能真實反映負載的變化情況，但引入電流信號可能造成干擾，比引入開關量的軋制力信號風險略大，因此，將軋制力信號作為工藝量參數與上述振動、轉速信號一并接入數據采集器，以準確區(qū)分出設備振動值的實時動態(tài)變化原因。

　　數據采集器采用法國01DB公司的MVX模塊，此模塊內置CPU，所有的采集數據均在本機完成數據處理，僅將計算結果上傳到服務器進行數據存儲和瀏覽，且含自動診斷功能(自動提取故障征兆，并加以判斷)，能夠實時并行采集24通道的振動、電流、轉速及各種過程參數，通道擴展較為方便。當設備處在啟動過程或停止過程中時，監(jiān)測模塊能自動改變采集模式為瞬態(tài)分析，并可對MVX進行遠程復位。

　　2.3軟件部分

　　系統軟件采用瀏覽器版的狀態(tài)監(jiān)測NEST和振動分析XPR300兩部分，NEST為狀態(tài)監(jiān)測軟件，包括各測點的振動特征值，系統可不斷檢查和更新各測點當前值的報警狀態(tài)，如果出現報警，相應的標識改變顏色并閃爍，以便于點檢、巡檢及各級管理人員及時掌握設備的運行狀態(tài)。XPR300是監(jiān)測數據和分析診斷的核心，有強大的數據分析功能，包括時域波形，幅值譜、相位譜、鏈接譜、倒頻譜、Bode圖、Nyquest圖瀑布圖及軸心軌跡等，且可從大量采集數據中自動檢查和判斷機組運行狀況，發(fā)現有異?；蛴腥毕莸臋C組將自動給出報警信息。兩個軟件均采用Oracle大型關系型數據庫，可對各種不同類型的數據進行管理和存儲，軟件可與SAP和Maximo資產管理軟件直接通訊，并提供OPC接口與其他的資產管理系統交換數據。
 

　　3、數據存儲設置

　　3.1軋制工況

　　監(jiān)測數據的實時采集相對容易實現，但數據的存儲及分析，對設備的故障診斷能否準確更有意義。精軋機組主傳動設備的運行工況為空過-咬鋼-軋鋼-拋鋼-空過是一個工作循環(huán)。熱連軋生產線軋鋼過程中，為保證金屬秒流量相等和出口帶鋼溫度的恒定，整個軋制過程為變速軋制。通常情況下，熱卷箱投用時為降速軋制，熱卷箱不投用時則為升速軋制。以熱卷箱不投用為例，當整個精軋機組穿帶完成后，主傳動設備開始升速軋制，卷取機建立張力后，速度基本恒定，此后為降速軋制，最后拋鋼，無論升速還是降速軋制，均有一段轉速恒定的時間，統計各鋼種的實際情況，每塊鋼軋制時間約75s，F7軋機到卷取機的時間約25s，拋鋼時間約15s，恒定轉速時間約為30s。

　　3.2存儲方式

　　變轉速設備的振動分析通常采用時域平均法，此方法可保留與齒輪故障有關的周期成分，去除其它非周期成分和噪聲的干擾，從而提高信噪比，該方法雖然加強了對齒輪故障進行診斷的效果，但卻濾除了滾動軸承的故障信號，即不能對滾動軸承故障進行有效分析。因此，針對精軋機組這種變速、變載工況，考慮存儲上述速度基本恒定的那段時間的振動數據，效果會更好。以軋鋼狀態(tài)下的離線監(jiān)測數據為例，圖2中頻譜線1為軋鋼狀態(tài)下(卷取機與精軋機建立張力)轉速恒定時的速度譜，其譜線較為清晰，而頻譜線2為軋鋼過程中升、降速時的速度譜，其譜線曾丘峰狀，頻譜分析效果不好。

　　本系統中，每架軋機均引入了軋制力信號，考慮到上述保存恒定轉速下的振動數據更為有效，目前的振動數據存儲方式采用每架軋機以軋制力信號觸發(fā)加延時的方式，即軋機在軋制力信號觸發(fā)后，分別延時35，38，40，41，42，43，44s開始存儲。各架軋機存儲數據采樣點數、分析頻率、解調帶寬參數詳見表1。從表1可以看出，數據的存儲長度為12.5-20s，均滿足前述卷取機建立張力的恒定轉速時間。將來準備將卷取機建立張力的信號也引入系統，以進一步保證能將恒定轉速時間段內振動數據準確采集并存儲。

　　4、振動標準

　　依據GBfT6075.3-2011振動標準中的規(guī)定，熱軋精軋機組振動速度有效值的報警值應比由經驗所確定的穩(wěn)態(tài)基線值(設備在穩(wěn)態(tài)工況運行時有代表性的、可重復的正常值，一般由該設備在以前正常運行期間多次測量的統計平均值得到)高出0.25倍區(qū)域B的上限值，且通常不超過1.25倍區(qū)域B的上限值。區(qū)域B的上限值為4.5mm/s。停機值為設備能承受的最大振動，是一個固定值，通常不超過1.25倍區(qū)域C的上限值7.1mm/s，即8.875mm/s。

　　通常情況下，滾動軸承、齒輪故障會引起高頻段的振動加速度值明顯增大，但目前國內外的振動標準均無振動加速度值的相關標準?？偨Y現場實踐經驗，目前精軋機組各設備的振動標準見表2。

　　5、故障診斷實例

　　2015年6月至2018年4月期間，熱軋精軋F3齒輪機座出口下測點的振動呈逐漸劣化趨勢，其振動速度譜中有明顯軸承內圈故障頻率及倍頻，且均伴有工頻的邊頻帶。理論上講，軸承內圈滾道所出現的疲勞剝落可維持較長一段時間，繼而引起滾動體出現麻點，后期可能導致保持架的迅速損壞，4月份期間，現場組織更換了碼軋機齒輪機座，下機的軸承內圈有大面積的表面金屬剝落，滾動體也有明顯的點蝕。更換齒輪機座后，振值由2.3mm/s降至0.4mm/s、力口速度峰值由0.6g降至0.05g，詳見圖3。

　　6、結語

　　熱軋精軋機組的在線監(jiān)測及故障診斷系統綜合了信號處理技術、計算機技術、網絡技術，能對主傳動設備的滾動軸承、齒輪故障等進行準確診斷。系統的數據存儲及分析均以設備的不同運行狀態(tài)為基準，實現了數據在軋鋼、空過兩種不同工況下的區(qū)分和比對，且軋鋼狀態(tài)下的數據采集及存儲來自卷取機建立張力的恒定轉速時間段，其頻譜更易于分析及診斷，此系統的數據采集及存儲策略可供同行參考借鑒。