高爐爐頂齒輪箱在線振動監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

張玉奎，程 楊，朱光強(qiáng)

(武漢鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，湖北 武漢 430083)

0 前言

自高爐采用無料鐘爐頂裝料設(shè)備以來，由于其布料靈活，實(shí)現(xiàn)高爐高壓操作等特點(diǎn)得到迅速推廣和發(fā)展。整個(gè)設(shè)備的核心部件是傳動齒輪箱，由于加工精度高，容易受工作環(huán)境影響而產(chǎn)生故障，從而影響生產(chǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，曾受載荷、爐頂溫度、操作等影響，傳動齒輪箱出現(xiàn)斷齒、回轉(zhuǎn)支撐卡死等故障，造成電機(jī)過載而無法布料，直接影響到高爐生產(chǎn)的安全和正常運(yùn)行。

由于傳動齒輪箱的重要性和產(chǎn)生故障的隨機(jī)性，很多鋼鐵企業(yè)都采取了如檢測電機(jī)電流、監(jiān)控齒輪箱內(nèi)溫度以及監(jiān)測冷卻氮?dú)夤に噮?shù)等措施，以降低故障率，但這些措施都很難全面的監(jiān)控傳動齒輪箱運(yùn)行情況。而在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，將以往定期檢修轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)知檢修，能夠全面實(shí)時(shí)監(jiān)控齒輪箱的運(yùn)行狀況。因此，齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究和應(yīng)用對于高爐的正常生產(chǎn)就顯得尤為重要。

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，進(jìn)行預(yù)知維修管理，武漢鋼鐵股份有限公司煉鐵廠與北京工業(yè)大學(xué)合作，建立了一套針對高爐無料鐘爐頂齒輪箱的在線監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，對齒輪箱的異常運(yùn)行及時(shí)報(bào)警，不但可以避免重大事故的發(fā)生，而且能實(shí)現(xiàn)設(shè)備由事后維修、定期維修到預(yù)知維修，減少設(shè)備維修次數(shù)，降低設(shè)備維修費(fèi)用，同時(shí)有效地控制停產(chǎn)檢修的時(shí)間，達(dá)到增加產(chǎn)量的目的。

1 齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)主要功能

1.1 實(shí)時(shí)信號采集、處理、報(bào)警及故障輔助處理功能

高爐無料鐘爐頂傳動齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)采用以太網(wǎng)接口，基于采集器/服務(wù)器/瀏覽器架構(gòu);支持局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中構(gòu)建大型狀態(tài)和健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò);一臺計(jì)算機(jī)可以通過LAN局域網(wǎng)控制多臺高爐爐頂齒輪箱的采集儀，多臺采集儀之間可以方便地進(jìn)行級聯(lián)和同步，可以進(jìn)行多測點(diǎn)、遠(yuǎn)距離或無線傳輸?shù)恼駝?、噪聲、沖擊、應(yīng)變、壓力、電壓等各種物理量信號采集，使用棒圖(圖1)、波形圖、數(shù)據(jù)表和組態(tài)圖進(jìn)行直觀顯示。允許多人通過服務(wù)器同時(shí)對各臺儀器和數(shù)據(jù)進(jìn)行不同權(quán)限的查詢和設(shè)置等操作。采集儀也可以脫離軟件實(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)采集。

圖1 棒圖顯示在線監(jiān)測圖Fig.1 On-line monitoring bar screen

1.2 故障分析功能

在軟件中可將儀器設(shè)置為連續(xù)采樣，振動超限采樣和整點(diǎn)采樣等方式，所采集的數(shù)據(jù)按一定的存儲方式進(jìn)行保存，以便于振動數(shù)據(jù)的分析，如時(shí)域分析、自譜分析、包絡(luò)分析、幅值統(tǒng)計(jì)等，同時(shí)也可進(jìn)行振動趨勢顯示，直觀的顯示出長時(shí)間范圍內(nèi)測點(diǎn)振動值的變化趨勢。主要功能包括:

(1)狀態(tài)監(jiān)測報(bào)警。通過振動的測量對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正常進(jìn)行評價(jià)，并對設(shè)備狀態(tài)的變化做出預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行全過程中設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)管理。幅域指標(biāo)的報(bào)警，在監(jiān)測指標(biāo)窗的畫面中，以振動幅值的底色來表示振動指標(biāo)狀態(tài)是否正常(白色表示振動指標(biāo)狀態(tài)正常，橙色表示振動指標(biāo)超限)。

(2)幅域指標(biāo)。點(diǎn)擊左側(cè)工具欄按鈕“時(shí)域指標(biāo)統(tǒng)計(jì)”可顯示將當(dāng)前時(shí)域波形的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，包括峰值、均值、最大值、有效值、峭度指標(biāo)等。

(3)趨勢分析。軟件對運(yùn)行機(jī)組的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，通過長時(shí)間的觀察就可看出故障趨勢(圖2)，以便根據(jù)情況安排檢修。

圖2 趨勢分析窗口界面Fig.2 Trend analysis screen

(4)時(shí)域信號分析。根據(jù)時(shí)域波形顯示的振動結(jié)構(gòu)分布和形狀，進(jìn)行概率密度分析，提取故障特征和識別模型，并進(jìn)行相關(guān)分析。

圖3為時(shí)域波形顯示各測點(diǎn)振動的波動曲線，可觀察振動的結(jié)構(gòu)分布和形狀。

圖3 時(shí)域分析窗口界面Fig.3 Time domain analysis screen

相關(guān)分析包含自相關(guān)(圖4)和互相關(guān)，用于分析測點(diǎn)時(shí)序的關(guān)聯(lián)性，比較振動信號時(shí)域的規(guī)律性，排除隨機(jī)振動的干擾，發(fā)現(xiàn)周期成分。

(5)頻域信號分析及非穩(wěn)態(tài)分析。振動信號的有限或無限個(gè)簡諧函數(shù)標(biāo)識的方法，反映振動信號x(t)各簡諧成分的幅值與其頻率的關(guān)系如圖5所示。

圖4 自相關(guān)分析窗口界面Fig.4 Self-correlation analysis screen

圖5 頻譜分析窗口界面Fig.5 Frequency spectrum analysis screen

(6)包絡(luò)譜分析。共振解調(diào)分析常常用于滾動軸承、齒輪等旋轉(zhuǎn)機(jī)械元件的故障診斷中，共振解調(diào)一般是對信號中的共振波形的包絡(luò)線進(jìn)行頻譜分析，所以稱為包絡(luò)譜分析。當(dāng)軸承某一元件表面出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在負(fù)載運(yùn)行過程中要與其他元件發(fā)生碰撞，產(chǎn)生沖擊脈沖力，由于沖擊脈沖力的頻帶很寬，必然包含了軸承外圈、傳感器等的固有頻率而激起這個(gè)測振系統(tǒng)的高頻固有振動。根據(jù)實(shí)際情況，可以選擇某一高頻固有振動作為研究對象，通過帶通濾波方法，將該固有振動分離出來。然后對這個(gè)分離出來的信號進(jìn)行包絡(luò)線計(jì)算，包絡(luò)線中去除了高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號，此時(shí)對這個(gè)包絡(luò)信號進(jìn)行頻譜分析就可以很容易地診斷出軸承的故障來，最后這個(gè)包絡(luò)線的頻譜就是共振解調(diào)譜。

1.3 智能診斷

(1)人機(jī)交互信息?；谥R的診斷方法，在診斷系統(tǒng)中涉及的知識和數(shù)據(jù)可以劃分為設(shè)備、故障集和征兆集等三個(gè)集合。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)備，故障與征兆之間可能存在著比較復(fù)雜的關(guān)系?？紤]到設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，應(yīng)該分解成部件對應(yīng)的故障，設(shè)備診斷方法把故障征兆、設(shè)備故障同整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起。

在收集了故障表征后，在相應(yīng)的地方輸入故障的特性判斷，然后填入處理意見，在以后的使用中，如果遇到同樣的問題，只要選擇相應(yīng)的故障表征，系統(tǒng)將自動找出對應(yīng)的處理建議(圖6)。

圖6 典型故障譜圖Fig.6 Typical fault spectrum screen

(2)專家系統(tǒng)智能診斷。在完成人機(jī)交互后，進(jìn)入智能診斷系統(tǒng)，在智能診斷中，用戶只要選擇報(bào)警數(shù)據(jù)文件，確認(rèn)需要診斷設(shè)備部位，按下智能診斷按鈕，系統(tǒng)將自動對當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出參考性意見(圖7)，為設(shè)備管理人員提供理論依據(jù)。

圖7 旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷分析Fig.7 Rotary machinery fault diagnosis screen

2 應(yīng)用實(shí)例

武鋼某高爐無料鐘爐頂中的齒輪箱2012年初安裝投入使用，在運(yùn)行將近一年后，設(shè)備管理技術(shù)人員感到設(shè)備振動異常，計(jì)劃在2013年初更換。為了更加準(zhǔn)確地確認(rèn)齒輪箱的運(yùn)行情況，制定檢修時(shí)間，采用齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)對齒輪箱進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控過程進(jìn)行分析。選取2013年1月21日振動數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷。

如圖8、圖9所示，光標(biāo)1頻率為133 Hz，其2倍頻也比較明顯，與B4/B10的嚙合頻率133.85 Hz相近，這表明回轉(zhuǎn)傳動鏈有早期故障隱患。

圖8 信號時(shí)域、頻域分析Fig.8 Signal and frequency domain analysis

圖9 上部齒輪箱旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向測點(diǎn)振動信號時(shí)域和頻域譜圖Fig.9 Time and frequency domain of vibration signal at the radial monitoring point at the rotary motor of upper gear box

如圖10時(shí)域信號所示，有明顯的周期性振動;在頻譜圖上，光標(biāo)所示頻率為189 Hz，與傾動傳動鏈B3/B9的嚙合頻率相近，由于189 Hz倍頻不明顯，說明傾動傳動鏈上的零部件有早期隱患。

圖10 上部齒輪箱頂部徑向測點(diǎn)振動信號時(shí)域和頻域譜圖Fig.10 Time and frequency domain of dynamic signal at radial monitoring point of upper gear box

綜上所述，雖然一號高爐爐頂齒輪箱回轉(zhuǎn)傳動鏈和傾動傳動鏈均有早期故障隱患，但可以繼續(xù)運(yùn)行。原計(jì)劃1月份要更換爐頂齒輪箱，經(jīng)過對振動數(shù)據(jù)分析并結(jié)合現(xiàn)場工況，決定繼續(xù)使用該齒輪箱，到2013年3月15日，該齒輪箱仍在正常使用。

3 結(jié)束語

應(yīng)用高爐無料鐘爐頂齒輪箱在線檢測系統(tǒng)，對武鋼某高爐做了實(shí)際應(yīng)用分析。實(shí)踐證明了齒輪箱在線檢測技術(shù)具有實(shí)時(shí)、客觀的特點(diǎn)，是保證高爐設(shè)備正常生產(chǎn)必不可少的技術(shù)手段，為延長齒輪箱檢修周期提供了理論依據(jù)。

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