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熱軋精軋主傳動(dòng)振動(dòng)在線監(jiān)測及故障診斷設(shè)計(jì)
本文闡述了鞍鋼股份鲅魚圈分公司熱軋精軋主傳動(dòng)振動(dòng)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、基本構(gòu)成及數(shù)據(jù)存儲策略等。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)軋鋼恒定轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)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(chǎn)線于2008年9月投產(chǎn)使用，其精軋機(jī)組由7架軋機(jī)構(gòu)成，即F1-F7軋機(jī)。機(jī)組的主傳動(dòng)設(shè)備包括7臺電動(dòng)機(jī)、2臺減速機(jī)(F1，F(xiàn)2軋機(jī))及7臺齒輪機(jī)座。從開工至今，共發(fā)生三起齒輪機(jī)座軸承損壞的事故，且其中一次導(dǎo)致了齒輪軸的齒面受損，給生產(chǎn)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，確保精軋機(jī)組主傳動(dòng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
目前，振動(dòng)在線監(jiān)測在其他鋼廠的同類機(jī)組上已有應(yīng)用，但有些機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用效果卻不甚理想。這其中既有管理原因也有技術(shù)原因，管理原因是系統(tǒng)安裝后無人維護(hù)，數(shù)據(jù)無專業(yè)分析;技術(shù)原因是熱軋精軋主傳動(dòng)設(shè)備的變速、變載工況復(fù)雜，軋機(jī)咬鋼和拋鋼產(chǎn)生的沖擊造成設(shè)備振動(dòng)瞬間增大，此外振動(dòng)信號還受轉(zhuǎn)速、軋制力、軋制鋼種、接軸、工作輻振動(dòng)等影響，這都給精軋主傳動(dòng)設(shè)備的故障診斷帶來較大的困難。因此，安裝一套切實(shí)可行、界面友好、能準(zhǔn)確診斷軸承和齒輪故障的振動(dòng)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)亟待解決。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1總體設(shè)計(jì)
熱軋精軋機(jī)組主傳動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)需要在減速機(jī)、齒輪機(jī)座上安裝振動(dòng)加速度振動(dòng)傳感器，同時(shí)將設(shè)備的轉(zhuǎn)速、工藝量參數(shù)(電流或軋制力信號)等引至數(shù)據(jù)采集模塊。采集模塊及相關(guān)附件(接線端子、24V電源轉(zhuǎn)換器、空氣開關(guān)等)安放于現(xiàn)場機(jī)旁的儀表箱中，通過屏蔽線纜將上述振動(dòng)、轉(zhuǎn)速及工藝量參數(shù)等信號引入數(shù)據(jù)采集器，每臺數(shù)據(jù)采集模塊通過網(wǎng)線聯(lián)入機(jī)旁的一臺發(fā)射數(shù)據(jù)的無線路由器，同時(shí)在精軋操作臺上安裝一臺接收數(shù)據(jù)的無線路由器，再通過網(wǎng)線將操作臺的無線路由器輸出數(shù)據(jù)連接到廠內(nèi)的局域網(wǎng)內(nèi)，在主電室的二級機(jī)房內(nèi)放置一臺服務(wù)器，即可將所有數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)通過工廠局域網(wǎng)傳送到服務(wù)器上，廠內(nèi)的數(shù)據(jù)分析及管理人員可以在廠內(nèi)局域網(wǎng)上的任一臺客戶端PC機(jī)上對精軋機(jī)組的主傳動(dòng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和分析，具體結(jié)構(gòu)見圖1。
2.2硬件部分
精軋主傳動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)先期在2臺減速機(jī)、7臺齒輪機(jī)座上安裝了36個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，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(dòng)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(shè)備表面加工一個(gè)6-8mm深、M6的孔，然后用雙頭螺釘將傳感器旋緊連接?？紤]到傳感器為側(cè)出口線，每個(gè)螺釘?shù)撞烤b有調(diào)整墊片，可使傳感器旋緊后的側(cè)出口線纜排列整齊有序。為提高振動(dòng)分析的準(zhǔn)確性，監(jiān)測系統(tǒng)在F1-F7軋機(jī)齒輪機(jī)座輸入軸側(cè)還安裝7個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器。因精軋機(jī)組主傳動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)受實(shí)時(shí)負(fù)載的影響較大，需引入工藝量參數(shù)以區(qū)分軋鋼和空過的狀態(tài)，電流信號能真實(shí)反映負(fù)載的變化情況，但引入電流信號可能造成干擾，比引入開關(guān)量的軋制力信號風(fēng)險(xiǎn)略大，因此，將軋制力信號作為工藝量參數(shù)與上述振動(dòng)、轉(zhuǎn)速信號一并接入數(shù)據(jù)采集器，以準(zhǔn)確區(qū)分出設(shè)備振動(dòng)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化原因。
數(shù)據(jù)采集器采用法國01DB公司的MVX模塊，此模塊內(nèi)置CPU，所有的采集數(shù)據(jù)均在本機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，僅將計(jì)算結(jié)果上傳到服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和瀏覽，且含自動(dòng)診斷功能(自動(dòng)提取故障征兆，并加以判斷)，能夠?qū)崟r(shí)并行采集24通道的振動(dòng)、電流、轉(zhuǎn)速及各種過程參數(shù)，通道擴(kuò)展較為方便。當(dāng)設(shè)備處在啟動(dòng)過程或停止過程中時(shí)，監(jiān)測模塊能自動(dòng)改變采集模式為瞬態(tài)分析，并可對MVX進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位。
2.3軟件部分
系統(tǒng)軟件采用瀏覽器版的狀態(tài)監(jiān)測NEST和振動(dòng)分析XPR300兩部分，NEST為狀態(tài)監(jiān)測軟件，包括各測點(diǎn)的振動(dòng)特征值，系統(tǒng)可不斷檢查和更新各測點(diǎn)當(dāng)前值的報(bào)警狀態(tài)，如果出現(xiàn)報(bào)警，相應(yīng)的標(biāo)識改變顏色并閃爍，以便于點(diǎn)檢、巡檢及各級管理人員及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。XPR300是監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析診斷的核心，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，包括時(shí)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(shù)據(jù)中自動(dòng)檢查和判斷機(jī)組運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)有異?；蛴腥毕莸臋C(jī)組將自動(dòng)給出報(bào)警信息。兩個(gè)軟件均采用Oracle大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，可對各種不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲，軟件可與SAP和Maximo資產(chǎn)管理軟件直接通訊，并提供OPC接口與其他的資產(chǎn)管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。
3、數(shù)據(jù)存儲設(shè)置
3.1軋制工況
監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集相對容易實(shí)現(xiàn)，但數(shù)據(jù)的存儲及分析，對設(shè)備的故障診斷能否準(zhǔn)確更有意義。精軋機(jī)組主傳動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行工況為空過-咬鋼-軋鋼-拋鋼-空過是一個(gè)工作循環(huán)。熱連軋生產(chǎn)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(gè)軋制過程為變速軋制。通常情況下，熱卷箱投用時(shí)為降速軋制，熱卷箱不投用時(shí)則為升速軋制。以熱卷箱不投用為例，當(dāng)整個(gè)精軋機(jī)組穿帶完成后，主傳動(dòng)設(shè)備開始升速軋制，卷取機(jī)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(zhuǎn)速恒定的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)各鋼種的實(shí)際情況，每塊鋼軋制時(shí)間約75s，F(xiàn)7軋機(jī)到卷取機(jī)的時(shí)間約25s，拋鋼時(shí)間約15s，恒定轉(zhuǎn)速時(shí)間約為30s。
3.2存儲方式
變轉(zhuǎn)速設(shè)備的振動(dòng)分析通常采用時(shí)域平均法，此方法可保留與齒輪故障有關(guān)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(qiáng)了對齒輪故障進(jìn)行診斷的效果，但卻濾除了滾動(dòng)軸承的故障信號，即不能對滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行有效分析。因此，針對精軋機(jī)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(shí)間的振動(dòng)數(shù)據(jù)，效果會更好。以軋鋼狀態(tài)下的離線監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，圖2中頻譜線1為軋鋼狀態(tài)下(卷取機(jī)與精軋機(jī)建立張力)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)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(shí)的速度譜，其譜線曾丘峰狀，頻譜分析效果不好。
本系統(tǒng)中，每架軋機(jī)均引入了軋制力信號，考慮到上述保存恒定轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)數(shù)據(jù)更為有效，目前的振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲方式采用每架軋機(jī)以軋制力信號觸發(fā)加延時(shí)的方式，即軋機(jī)在軋制力信號觸發(fā)后，分別延時(shí)35，38，40，41，42，43，44s開始存儲。各架軋機(jī)存儲數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)、分析頻率、解調(diào)帶寬參數(shù)詳見表1。從表1可以看出，數(shù)據(jù)的存儲長度為12.5-20s，均滿足前述卷取機(jī)建立張力的恒定轉(zhuǎn)速時(shí)間。將來準(zhǔn)備將卷取機(jī)建立張力的信號也引入系統(tǒng)，以進(jìn)一步保證能將恒定轉(zhuǎn)速時(shí)間段內(nèi)振動(dòng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集并存儲。
4、振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)
依據(jù)GBfT6075.3-2011振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，熱軋精軋機(jī)組振動(dòng)速度有效值的報(bào)警值應(yīng)比由經(jīng)驗(yàn)所確定的穩(wěn)態(tài)基線值(設(shè)備在穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行時(shí)有代表性的、可重復(fù)的正常值，一般由該設(shè)備在以前正常運(yùn)行期間多次測量的統(tǒng)計(jì)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(jī)值為設(shè)備能承受的最大振動(dòng)，是一個(gè)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(dòng)軸承、齒輪故障會引起高頻段的振動(dòng)加速度值明顯增大，但目前國內(nèi)外的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)均無振動(dòng)加速度值的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?？偨Y(jié)現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前精軋機(jī)組各設(shè)備的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)見表2。
5、故障診斷實(shí)例
2015年6月至2018年4月期間，熱軋精軋F(tuán)3齒輪機(jī)座出口下測點(diǎn)的振動(dòng)呈逐漸劣化趨勢，其振動(dòng)速度譜中有明顯軸承內(nèi)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(nèi)圈滾道所出現(xiàn)的疲勞剝落可維持較長一段時(shí)間，繼而引起滾動(dòng)體出現(xiàn)麻點(diǎn)，后期可能導(dǎo)致保持架的迅速損壞，4月份期間，現(xiàn)場組織更換了碼軋機(jī)齒輪機(jī)座，下機(jī)的軸承內(nèi)圈有大面積的表面金屬剝落，滾動(dòng)體也有明顯的點(diǎn)蝕。更換齒輪機(jī)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(jié)語
熱軋精軋機(jī)組的在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)綜合了信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能對主傳動(dòng)設(shè)備的滾動(dòng)軸承、齒輪故障等進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲及分析均以設(shè)備的不同運(yùn)行狀態(tài)為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集及存儲來自卷取機(jī)建立張力的恒定轉(zhuǎn)速時(shí)間段，其頻譜更易于分析及診斷，此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及存儲策略可供同行參考借鑒。
實(shí)時(shí)匯聚核
心行業(yè)動(dòng)態(tài)
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實(shí)時(shí)匯聚核心行業(yè)動(dòng)態(tài)
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