高線減定徑機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

蘇金環(huán)，薄偉兵，許黎明

(1．上海交通大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院，上海200240;2．寶鋼股份特鋼事業(yè)部條鋼廠，上海200940)

高線減定徑機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

蘇金環(huán)1，薄偉兵2，許黎明1

(1．上海交通大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院，上海200240;2．寶鋼股份特鋼事業(yè)部條鋼廠，上海200940)

為提高減定徑機(jī)組的可靠性，寶鋼股份特鋼事業(yè)部條鋼廠利用NI公司的硬件設(shè)備和LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺構(gòu)建了高線減定徑機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時振動監(jiān)測和故障分析。經(jīng)過實(shí)踐運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠。

減定徑機(jī)組;狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷;數(shù)據(jù)采集

0 前言

寶鋼特鋼線材分廠不銹鋼線材連續(xù)生產(chǎn)線，自動化程度高，減定徑機(jī)組(Reducing and Sizing Mill)是高速線材軋制生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)速度高、載荷變化頻繁。提高減定徑機(jī)組的可靠性，對于保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行具有重要意義。

目前，該機(jī)組主要依靠人工點(diǎn)檢和簡易檢測工具來掌握其運(yùn)行狀態(tài)，不能有效的預(yù)測和預(yù)防設(shè)備將出現(xiàn)的故障;同時由于缺乏必要的連續(xù)檢測數(shù)據(jù)，發(fā)生故障后也無法做出正確的診斷。因此，建立狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對減定徑機(jī)組運(yùn)行的過程狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和分析是判斷設(shè)備是否正常運(yùn)行，是否存在潛在故障及預(yù)測故障發(fā)展趨勢等問題的有力手段。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 傳感器選擇與測點(diǎn)布置

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器是整個系統(tǒng)的信息來源，傳感器信號的準(zhǔn)確性和測點(diǎn)布置的合理性直接影響系統(tǒng)的可信度。減定徑機(jī)組傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，三聯(lián)齒輪箱和錐箱轉(zhuǎn)軸速度高，變化范圍大。根據(jù)減定徑機(jī)組傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用美國PCB公司ICP 603C01(數(shù)量49)和606A01(數(shù)量10)兩種型號的壓電式加速度傳感器，這類傳感器內(nèi)置電荷放大器，具有體積小、靈敏度和可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、安裝方便、使用壽命長等特點(diǎn)。

限于篇幅，本文對傳感器測點(diǎn)位置不一一列出。選取測點(diǎn)位置的原則是在軸承座剛度大的地方，并盡可能選擇在載荷密度最大的位置，以便盡可能多地獲取傳動軸上各零部件的振動信號，反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 硬件配置

系統(tǒng)硬件選用美國國家儀器(NI)公司PXI模塊化儀器平臺，硬件組成見表1。

表1 系統(tǒng)硬件組成

1.3 軟件配置

系統(tǒng)軟件主要采用美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的Labview 2010圖形化編程語言，在英文WINDOWS 2000/XP環(huán)境下運(yùn)行，具有系統(tǒng)配置、狀態(tài)監(jiān)測和信號分析、故障診斷和網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，使用簡便。軟件的主畫面如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)主畫面Fig.1 Home screen ofmonitoring system

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 系統(tǒng)配置

在系統(tǒng)配置中，可以對系統(tǒng)運(yùn)行的各類參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如采樣頻率、采樣數(shù)據(jù)長度、量程、報警上下限和故障診斷所需要的設(shè)備參數(shù)，如電機(jī)轉(zhuǎn)速和三聯(lián)齒輪箱各離合器的狀態(tài)，原始數(shù)據(jù)存儲時間間隔和存儲時間長度、信號分析方法等。通過系統(tǒng)配置，在不改變軟件的前提下，可以滿足修改監(jiān)測設(shè)備參數(shù)的需要。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測和信號分析

系統(tǒng)能夠用數(shù)字、曲線和表格形式實(shí)時顯示測點(diǎn)的狀態(tài)，可以對需要監(jiān)測的參數(shù)和顯示方式等進(jìn)行在線修改，直觀形象的顯示設(shè)備的狀態(tài)，并且在出現(xiàn)異常時進(jìn)行報警。

系統(tǒng)提供時域分析、頻域分析和時頻分析等多種信號分析方法，可以根據(jù)需要在線進(jìn)行選擇。如在波形圖中，可以對振動峰值、絕對均值、有效值、峭度和波峰因子等特征數(shù)據(jù)進(jìn)行在線生成;在頻譜圖中，可以在線生成振動的中心頻率、均方頻率、均方根頻率和頻率方差等。

2.3 故障診斷專家系統(tǒng)

針對高線減定徑機(jī)組傳動特點(diǎn)，建立機(jī)組齒輪和軸承故障形式和頻譜特征知識庫;結(jié)合不同軋制規(guī)格，建立齒輪箱傳動與軋制規(guī)格對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)采用基于統(tǒng)計理論和人工智能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)識別算法進(jìn)行在線或離線診斷。目前，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的征兆自動獲取能力，能夠自動診斷軸承間隙增大、齒輪點(diǎn)蝕、局部斷齒、軸承內(nèi)外圈故障和滾動體故障等。

3 實(shí)例分析

本系統(tǒng)投入運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)減定徑機(jī)組1號150錐箱34#Ⅱ軸傳動側(cè)徑向水平測點(diǎn)振動異常，其振動速度有效值4.67 mm/s，振動速度峰值高達(dá)16.70 mm/s，34#Ⅱ軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度1 865.73 r/min，時域波形如圖2所示。從時域波形圖中可明顯看出具有規(guī)則的周期性的沖擊成分，時域特征參數(shù)指標(biāo)峰值因子3.58，峭度因子2.56，這兩個值反應(yīng)信號中沖擊能量偏大，有故障存在。

對時域信號作頻譜分析，從頻譜圖3中可以看出在1.09 kHz、2.18 kHz和3.27 kHz處有沖擊頻率出現(xiàn)，且三個頻率成倍數(shù)關(guān)系，其中信號主要頻率1.09 kHz附近存在諧波。為分離和提取頻譜中的周期成分，對信號進(jìn)行倒頻譜分析，在圖4所示的倒頻譜圖中0.03215 s處有明顯的突起峰值譜線，對應(yīng)頻率為31.10 Hz，與軸頻相同。

34#Ⅱ軸傳動側(cè)為16齒螺旋傘齒輪，齒輪嚙合頻率497.6 Hz。頻譜圖中的沖擊頻率1.09 kHz是齒輪嚙合頻率497.6 Hz的2.2倍，判定螺旋傘齒輪齒輪存在故障。利用設(shè)備停機(jī)時間對34#Ⅱ軸進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)16齒螺旋傘齒輪小端的兩個齒面存在點(diǎn)蝕故障，如圖5所示。

圖5 故障齒輪Fig.5 Gear with fault

4 結(jié)論

本文利用美國NI公司的硬件設(shè)備和Lab-VIEW虛擬儀器開發(fā)平臺構(gòu)建了高線減定徑機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件配置合理，軟件設(shè)計靈活，經(jīng)過一段時間的實(shí)踐運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠滿足高線減定徑機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的需要，提出了高線減定徑機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的一種新的解決方案。

［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

［2］National Instruments Corporation．NIPXI－8110 user manual and specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2010．

［3］National Instruments Corporation．NI PXI－1042 series user manual and specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2004．

［4］National Instruments Corporation．NI 4498x specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2008．

［1］韓捷，張瑞林．旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障機(jī)理及診斷技術(shù)

Research of condition monitoring system for high-speed w ire reducing and sizing m ill

SU Jin-huan1，BOWei-bing2，XU Li-ming1
(1．School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China;2．Bar Steel Plant，Special Steel Business Unit，Baoshan Iron and Steel Co．，Ltd，Shanghai200940，China)

In order to improve the reliability of the reducing and sizing mill，Baosteel Special Steel uses NI hardware and LabVIEW virtual instrument development platform to build conditionmonitoring system of highspeed wire reducing and sizingmill to vibrationmonitoring real－time and faultanalysis．It is proved stable and reliable．

reducing and sizingmill;condition monitoring;fault diagnosis;data acqusition

TG333.62

A

1001－196X(2012)04－0056－04

2012－03－26;

2012－04－17

蘇金環(huán)(1983－)，男，上海交通大學(xué)工程碩士，從事機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究。