故障診斷技術(shù)在紙機(jī)設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用

李志文

（岳陽林紙股份有限公司，湖南岳陽414000）

故障診斷技術(shù)在紙機(jī)設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用

李志文

（岳陽林紙股份有限公司，湖南岳陽414000）

簡要說明設(shè)備故障診斷技術(shù)的基本原理，結(jié)合設(shè)備故障的實際診斷案例來論述設(shè)備故障診斷技術(shù)在紙機(jī)設(shè)備維護(hù)中的具體應(yīng)用。

紙機(jī)；設(shè)備故障診斷技術(shù)；振動分析；頻譜分析；軸承故障頻率

0 概述

隨著科技發(fā)展，紙機(jī)構(gòu)造不斷優(yōu)化，傳統(tǒng)的紙機(jī)設(shè)備巡檢方式（主要是指聽棍巡檢）以及依靠經(jīng)驗來判斷設(shè)備故障的方法，已不能滿足現(xiàn)代化紙機(jī)的維護(hù)要求。尤其是當(dāng)年產(chǎn)20萬噸，甚至40萬噸的紙機(jī)出現(xiàn)后，紙機(jī)設(shè)備維護(hù)人員對設(shè)備故障準(zhǔn)確性的判斷要求進(jìn)一步提高，設(shè)備故障診斷技術(shù)恰好滿足了這種需求。振動分析技術(shù)作為設(shè)備故障診斷技術(shù)的一種，因診斷準(zhǔn)確性高、診斷故障種類多、對設(shè)備的無損檢測等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。

本文將就設(shè)備故障診斷技術(shù)（以下如無特別說明，特指振動分析技術(shù)）的基本原理進(jìn)行說明，結(jié)合筆者實際診斷案例，論述此項技術(shù)在紙機(jī)設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用。

1 設(shè)備故障診斷技術(shù)

設(shè)備故障診斷技術(shù)于20世紀(jì)80年代在我國起步，經(jīng)過幾十年發(fā)展，在各生產(chǎn)制造行業(yè)中均產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。全國各大造紙行業(yè)也在極力推廣該項技術(shù)。設(shè)備故障診斷技術(shù)的一大優(yōu)勢就是可以對設(shè)備故障做出精確判斷，并可以此為依據(jù)對設(shè)備維護(hù)策略和維修策略做出最優(yōu)化的制定。

機(jī)械結(jié)構(gòu)由于自身的特點，其在運行過程中必然會產(chǎn)生振動。當(dāng)設(shè)備運行工況不發(fā)生變化時，其振動將保持在一個相對穩(wěn)定的水平。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，如軸承損壞、齒輪崩齒、動不平衡等，其振動狀況必然會隨之發(fā)生改變。如果能夠找出使設(shè)備振動狀況發(fā)生改變的振源，并加以分析，就能夠確定設(shè)備故障原因。但在實際的振動數(shù)據(jù)檢測中，傳感器所采集到的振動信號（振動的時域信號）是設(shè)備振動的綜合體現(xiàn)。它既包含有設(shè)備正常運行時所產(chǎn)生的振動信號，也包含因設(shè)備故障所產(chǎn)生的振動信號，還包含有噪聲等其他干擾信號。如直接對采集到的振動信號進(jìn)行分析，將很難確定故障源，影響對故障判斷的準(zhǔn)確性。因此在對原始振動信號分析前，必須對信號進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，將原始信號中的各個成分相對獨立地分離開，使故障信號能夠突顯出來。原始振動信號的轉(zhuǎn)換方法有多種，但最為重要、應(yīng)用最為廣泛的方法為傅立葉變換。傅立葉變換的物理意義可以理解為：如果一個振動系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動信號為連續(xù)性周期信號，則該振動可以分解為由一系列簡諧振動疊加而成。不同的簡諧振動對應(yīng)著不同的振動頻率，因此，傅立葉變換將對復(fù)雜的時域信號分析轉(zhuǎn)變成了簡單的頻域信號分析。通過傅立葉變換，原始振動信號中包含的各種振動信號成分就能以頻譜的方式相對獨立的分離出來了。

在產(chǎn)品生產(chǎn)制造中，絕大多數(shù)設(shè)備為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，而旋轉(zhuǎn)機(jī)械因自身特點，其振動的周期性很強(qiáng)（設(shè)備每轉(zhuǎn)1周就是1個周期）。而設(shè)備故障往往跟轉(zhuǎn)速相關(guān)，設(shè)備每轉(zhuǎn)1周將產(chǎn)生一次或多次故障信號。因此，故障信號也表現(xiàn)出很強(qiáng)的周期性。所以，設(shè)備故障診斷技術(shù)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中得到了很好的應(yīng)用。

周期性的振動必然會產(chǎn)生相應(yīng)的振動頻率，借助傅立葉變換，將振動信號在頻域中進(jìn)行分析，以便更容易確定設(shè)備故障原因。因為，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障后，會引起該故障所對應(yīng)的振動頻率的振幅增大，在頻譜圖中形成明顯峰值。那么，通過對該故障頻率的分析，就能確定設(shè)備的故障原因，從而可以對故障設(shè)備采取有針對性的維護(hù)和維修策略。

2 設(shè)備故障診斷技術(shù)應(yīng)用

以岳陽林紙股份有限公司設(shè)備為例，結(jié)合筆者實際診斷的設(shè)備故障案例，說明設(shè)備故障診斷技術(shù)在紙機(jī)設(shè)備維護(hù)中的具體應(yīng)用。

（1）齒輪箱軸承故障。公司8號機(jī)為一臺年產(chǎn)20萬噸的高速紙機(jī)（圖1），設(shè)備巡檢人員在例行巡檢中發(fā)現(xiàn)壓榨部二壓ZL輥齒輪箱振動異常，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巡檢人員無法確定振動異常的具體原因。

圖1 ZL輥傳動示意圖

為確定ZL輥的振動原因，對齒輪箱的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。通過對頻譜圖的分析，頻率為97.55 Hz的振動表現(xiàn)異常，并且還出現(xiàn)了基于該頻率的多次諧波（圖2）。

而齒輪箱正常運行時，并無該振動頻率的出現(xiàn)。從頻譜上來看，初步確定應(yīng)是齒輪箱內(nèi)軸承出現(xiàn)故障。通過對ZL輥齒輪箱結(jié)構(gòu)圖的分析，齒輪箱內(nèi)共有3種型號的軸承，均為SKF公司生產(chǎn)。通過軸承型號計算得出各型號軸承的故障頻率，具體數(shù)據(jù)見表1。由表1中數(shù)據(jù)對比可知，頻譜圖中的故障頻率由齒輪箱中軸承1內(nèi)圈故障引起。由于內(nèi)圈故障引起的振動，還激發(fā)出了內(nèi)圈故障頻率的6×倍頻，說明軸承內(nèi)圈故障已非常嚴(yán)重。車間根據(jù)診斷結(jié)果，及時安排紙機(jī)停機(jī)，并對齒輪箱進(jìn)行了有針對性的檢修。檢修發(fā)現(xiàn)，軸承1（靠內(nèi)側(cè)的軸承）內(nèi)圈嚴(yán)重?fù)p壞（圖3），與診斷結(jié)果一致。損壞原因為齒輪箱內(nèi)軸承潤滑油管堵塞，導(dǎo)致軸承缺油損壞。

圖2 齒輪箱振動頻譜圖

表1 各型號軸承故障頻率

（2）毛布問題引起的輥子振動。公司1號機(jī)正常運行過程中，壓榨部三壓溝紋輥振動突然上升。車間檢查輥子軸承及減速箱后，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。為確定振動原因，對三壓溝紋輥進(jìn)行了振動數(shù)據(jù)采集及分析。

通過對振動頻譜的分析，頻率為27.81 Hz的振動幅值特別高，達(dá)到20.78 mm/s，該頻率的振動為引起輥子振動的主要原因。同時，頻譜圖中還檢測到輥子傳動側(cè)軸承的故障信號，頻率為122.3 Hz，并出現(xiàn)了4×倍頻，但振幅很小，說明軸承故障處于早期階段，不是引起輥子振動的主要原因，頻譜圖見圖4。

三壓溝紋輥出現(xiàn)振動正好在三毛布使用后期，此時毛布的各項技術(shù)指標(biāo)均已劣化，再結(jié)合對振動頻率的分析，振動原因應(yīng)為毛布劣化，激發(fā)出了由三壓溝紋輥、三毛布和中心輥組成的振動系統(tǒng)的某階主振頻率，使振動系統(tǒng)產(chǎn)生共振，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)、安裝原因，使三壓溝紋輥對這種共振響應(yīng)最為明顯。壓榨部結(jié)構(gòu)見圖5。

圖3 軸承內(nèi)圈嚴(yán)重?fù)p壞

根據(jù)振動理論，在多自由度的振動系統(tǒng)中，存在多個主振頻率，主振頻率的個數(shù)與振動系統(tǒng)的自由度個數(shù)相對應(yīng)。當(dāng)外力造成的振動頻率與任一系統(tǒng)主振頻率相同時，都將引起系統(tǒng)的共振。隨后，車間在計劃停機(jī)時更換了三壓毛布。更換后，三壓溝紋輥振動恢復(fù)正常，從而驗證了之前的判斷。

約半年后，該輥下機(jī)，傳動側(cè)軸承外圈發(fā)現(xiàn)明顯點蝕剝落現(xiàn)象，再次驗證了故障診斷技術(shù)的準(zhǔn)確性。

（3）風(fēng)機(jī)葉輪動不平衡故障。公司熱電1號爐送風(fēng)機(jī)（南通風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)，型號VR58ⅢSIBORK2240）因除塵項目停運約一個月。停機(jī)前，風(fēng)機(jī)運行正常。再次開機(jī)后，風(fēng)機(jī)振動突然上升，影響設(shè)備安全運行。為確定振動原因，對風(fēng)機(jī)振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集和分析。

風(fēng)機(jī)運行時，轉(zhuǎn)速為1313 r/min，轉(zhuǎn)頻為21.88 Hz。從頻譜圖（圖6）中分析，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻振幅過大，超出正常值。

機(jī)械設(shè)備由于制造安裝的原因，任何設(shè)備在運行過程中均存在一定的偏心量，這也是造成設(shè)備振動的一個主要原因。但設(shè)備制造時均會進(jìn)行動平衡校定，因此實際運行過程中，設(shè)備振動值不會很大，一般≤4 mm/s。而此時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)頻振幅達(dá)到10.52 mm/s，并激發(fā)出了基于轉(zhuǎn)頻的高次諧波，說明風(fēng)機(jī)葉輪應(yīng)該出現(xiàn)嚴(yán)重的動不平衡問題。為驗證該判斷，在操作人員配合下，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降為1000 r/min以下，風(fēng)機(jī)振動值下降明顯。根據(jù)離心力計算公式F=meω2，當(dāng)偏心距一定時，葉輪的振動與轉(zhuǎn)速的平方成正比，從而進(jìn)一步驗證了之前的判斷。車間利用停爐檢修機(jī)會檢查葉輪，發(fā)現(xiàn)葉輪背風(fēng)面積灰嚴(yán)重，葉輪嚴(yán)重動不平衡。清灰后，風(fēng)機(jī)運行正常。分析原因，判斷是葉輪積灰原因為風(fēng)機(jī)停運期間，未做好防護(hù)措施，致使大量煙塵通過風(fēng)道沉積在葉輪上。

〔編輯 凌瑞〕

圖4 輥子振動頻譜圖

圖5 壓榨部示意圖

圖6 風(fēng)機(jī)頻譜圖

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.42

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