應(yīng)力波技術(shù)在設(shè)備狀態(tài)全周期監(jiān)測診斷的運(yùn)用與分析

劉大富

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

設(shè)備全生命周期狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)秉承當(dāng)前的維護(hù)保養(yǎng)理念“未病先防、既病防變”，改變了常規(guī)的設(shè)備檢修思路和方法，從普遍采用的定期檢修向以提高設(shè)備可靠性為核心的狀態(tài)維修轉(zhuǎn)變，真正實(shí)現(xiàn)了預(yù)測維修和主動維修［1］。常規(guī)的技術(shù)分析，本質(zhì)上都是事后才發(fā)出報警，即在故障實(shí)際發(fā)生以后發(fā)出報警，設(shè)備維護(hù)人員只能實(shí)施事后維修、非計劃停機(jī)，這樣給工廠造成巨額維修費(fèi)用和生產(chǎn)損失。設(shè)備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測分析系統(tǒng)應(yīng)力波的應(yīng)用能對設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行全生命周期的監(jiān)測和診斷，做出最早及可靠的偵判，對潛在的故障發(fā)出預(yù)警，提醒工廠維護(hù)人員及時采取恰當(dāng)措施，避免非計劃停機(jī)和安全事故，減少維修費(fèi)用、備件成本，保障設(shè)備的可靠運(yùn)行［2］。

2 應(yīng)力波介紹及其技術(shù)運(yùn)用的優(yōu)勢

應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動的傳播形式，是在可變形固體介質(zhì)中機(jī)械擾動表現(xiàn)為質(zhì)點(diǎn)速度的變化和相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化。應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化以波的方式傳播，稱為應(yīng)力波［3］。

2.1 應(yīng)力波技術(shù)監(jiān)測靈敏度較高

應(yīng)力波對高頻信號比較敏感，而當(dāng)設(shè)備內(nèi)部金屬體發(fā)生周期性和隨機(jī)性摩擦及沖擊時，引發(fā)的早期故障的特征信號大多集中在這個高頻率范圍，即38k+/-2k 赫茲范圍。不同部件之間發(fā)生相對運(yùn)動，會產(chǎn)生摩擦和沖擊，部件內(nèi)部首先會發(fā)生應(yīng)力波變化。它屬于超聲波能量脈沖檢測，應(yīng)力波在固體內(nèi)部向各個方向沿著結(jié)構(gòu)體輻射傳導(dǎo)，便于監(jiān)測。

2.2 應(yīng)力波能量可以量化

摩擦和沖擊摩擦與部件間相互接觸的表面面積、光滑度、相對表面速度、接觸壓力、潤滑條件、設(shè)備速度、負(fù)載變化存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，沖擊與部件的沖擊速度、受損深度、受損尺寸和面積也存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過量化摩擦和沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波能量，可以很好地發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部動態(tài)變化，便于對比。

2.3 “電子聽診”可以有效避免設(shè)備本體結(jié)構(gòu)振動和噪聲干擾［4］

應(yīng)力波傳感器相當(dāng)于具有計算機(jī)功能的電子聽診器，它過濾掉了設(shè)備本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動和人耳可聽到的噪聲，因此，可以準(zhǔn)確地捕捉內(nèi)部細(xì)微的摩擦和沖擊變化，可以在設(shè)備產(chǎn)生故障并劣化發(fā)展，最終被傳統(tǒng)技術(shù)（潤滑、振動位移變化、溫度變化）發(fā)現(xiàn)之前的最早時刻或時期，對設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測。檢測更加精準(zhǔn)。

2.4 簡單易用、易懂的圖形化分析

應(yīng)力波檢測系統(tǒng)能夠提供能量趨勢、直方圖統(tǒng)計、頻譜特征FFT 三大分析工具，便于現(xiàn)場巡檢人員及設(shè)備管理專業(yè)人員等不同層次的人員對設(shè)備內(nèi)部的摩擦和沖擊情況從宏觀和微觀兩個方面來做定性和定量分析，分析簡單易懂。

2.4.1 應(yīng)力波能量圖

應(yīng)力波能量圖用來表征設(shè)備運(yùn)行過程中摩擦和沖擊的能量變化情況，健康的設(shè)備總體趨勢是相對平穩(wěn)的，當(dāng)內(nèi)部的摩擦和沖擊相對于以前出現(xiàn)突變時，趨勢線會發(fā)生陡峭的上升，這表明設(shè)備內(nèi)部檢測點(diǎn)附近出現(xiàn)了摩擦和沖擊演變。能量圖用來宏觀判斷設(shè)備是一種健康的工作狀態(tài)，還是不健康的工作狀態(tài)。綠色、黃色和紅色區(qū)域分別表示設(shè)備的健康狀態(tài)從健康到亞健康再到不健康的發(fā)展過程。

2.4.2 應(yīng)力波直方圖

應(yīng)力波直方圖用來表征設(shè)備運(yùn)行過程中隨機(jī)性的摩擦和沖擊事件。它是一種數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對一個周期時間內(nèi)各種摩擦和沖擊能量出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，構(gòu)建了直方圖。當(dāng)直方圖成正態(tài)分布時，最小能量和最大能量處于穩(wěn)定的位置，表明設(shè)備無隨機(jī)摩擦和沖擊發(fā)生；當(dāng)直方圖成偏態(tài)分布時，最小能量和最大能量將向外側(cè)擴(kuò)散，即越來越兩邊不對稱，表明設(shè)備內(nèi)部的隨機(jī)性摩擦和沖擊在加劇。

圖1 應(yīng)力波能量趨勢圖 平穩(wěn)（左）突變（右）

圖2 應(yīng)力波直方圖 健康（左） 不健康（右）

圖3 應(yīng)力波頻譜FFT 圖 正常（左） 故障特征（右）

2.4.3 應(yīng)力波頻譜圖

應(yīng)力波頻譜圖是用來表征設(shè)備運(yùn)行過程中周期性的摩擦和沖擊事件。它是一種對時域波形的FFT 變換，在豐富頻譜圖形上通過呈現(xiàn)不同的波峰和倍頻頻譜，不同的頻譜波形對應(yīng)不同的故障特征頻率，利用現(xiàn)有的振動頻譜分析方法就可以識別頻率圖譜［5］。從而找到導(dǎo)致故障發(fā)生的原因和具體部件。

3 應(yīng)力波技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 貴溪冶煉廠某制氧空壓機(jī)設(shè)備狀態(tài)的現(xiàn)場短時間監(jiān)測（1h）與分析

3.1.1 空壓機(jī)基本基本參數(shù)［6］

空壓機(jī)型號：DH80-16；介質(zhì): 空氣；流量:52000Nm3/h；轉(zhuǎn)速:7697/9435rpm；一、二、三、四級為滑動軸承。進(jìn)氣壓力:0.0995MPa；排氣壓力:0.608MPa 。

圖4 空壓機(jī)現(xiàn)場圖片

3.1.2 機(jī)組運(yùn)行狀況

空壓機(jī)振動一級軸承X/Y 向振動分別29μm/37μm；二級軸承X/Y向振動 分別34μm/45μm；三 級 軸 承X/Y 向 振 動 分別105μm/37μm；四 級 軸 承X/Y 向 振 動 分 別35μm/86μm；三級葉輪及軸的區(qū)域在X 方向的振動值比其他各級區(qū)域值偏明顯高。

3.1.3 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

分別在三、四級葉輪側(cè)及軸承位置安裝測點(diǎn)，如圖5、圖6 所示位置。

圖5 三、四級葉輪監(jiān)測點(diǎn)

圖6 三四齒軸承監(jiān)測點(diǎn)

3.1.4 檢測數(shù)據(jù)

在三級葉輪側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的分別測出應(yīng)力波能量趨勢圖、直方圖、頻譜圖。從圖7、8、9 可知，該點(diǎn)的應(yīng)力波能量值平穩(wěn)。該直方圖“高瘦”，摩擦和沖擊較為平穩(wěn)。從頻譜圖可看到，譜線平坦，該監(jiān)測區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的周期性摩擦和沖擊事件。

在三級軸承監(jiān)測點(diǎn)處分別測出應(yīng)力波能量趨勢圖、直方圖、頻譜圖。從圖10、11、12 可知，該點(diǎn)的應(yīng)力波能量值存在不平穩(wěn)的波動。該點(diǎn)的直方圖“高瘦”，摩擦和沖擊相對平穩(wěn)。該點(diǎn)存在接近電機(jī)轉(zhuǎn)速的頻率24.414Hz(1464rpm) 和接近高速軸的頻譜149.536Hz(8972rpm)以及頻率99.487Hz(與交流電50Hz 成兩倍關(guān)系)三條譜線。表明該監(jiān)測點(diǎn)覆蓋區(qū)域存在與高速軸相關(guān)的摩擦不穩(wěn)定事件。能量值為3～4mV，表明當(dāng)前摩擦和沖擊不嚴(yán)重。

圖7 三級葉輪遠(yuǎn)離齒輪箱應(yīng)力波圖

圖8 三級葉輪遠(yuǎn)離齒輪箱直方圖

圖9 三級葉輪遠(yuǎn)離齒輪箱頻譜圖

圖10 三級葉輪靠近齒輪箱應(yīng)力波圖

圖11 三級葉輪靠近齒輪箱直方圖

圖12 三級葉輪靠近齒輪箱頻譜圖

在四級葉輪側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的分別測出應(yīng)力波能量趨勢圖、直方圖、頻譜圖。從圖13、14、15 可知，該點(diǎn)的應(yīng)力波能量值比較平穩(wěn)。該直方圖“高瘦”，摩擦和沖擊平穩(wěn)。該點(diǎn)的頻譜平穩(wěn)，沒有明顯的周期性沖擊事件。

圖13 四級葉輪遠(yuǎn)離齒輪箱測量點(diǎn)應(yīng)力波趨勢圖

圖14 為四級葉輪遠(yuǎn)離齒輪箱測量點(diǎn)直方圖圖

在四級軸承監(jiān)測點(diǎn)處分別測出應(yīng)力波能量趨勢圖、直方圖、頻譜圖。從圖16、17、18 可以看出該應(yīng)力波能量值比較平穩(wěn)；該點(diǎn)的直方圖能量范圍較三級葉輪寬一些，但形態(tài)仍然呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，表明內(nèi)部摩擦和沖擊相對平穩(wěn)。存在接近高速軸頻率156.86Hz(9411rpm)、接近低速軸頻率128.174Hz(7690rpm)和接近電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率24.414Hz(1464rpm)的三條譜線。表明該監(jiān)測點(diǎn)覆蓋區(qū)域存在與高速軸相關(guān)的摩擦不穩(wěn)定事件。能量值為6～10mV，表明當(dāng)前摩擦和沖擊不嚴(yán)重。

圖15 四級葉輪遠(yuǎn)離齒輪箱監(jiān)測點(diǎn)頻譜圖

圖16 四級葉輪靠近齒輪箱監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力波能量趨勢圖

圖17 四級葉輪靠近齒輪箱監(jiān)測點(diǎn)的直方圖

圖18 四級葉輪靠近齒輪箱監(jiān)測點(diǎn)頻譜圖

3.2 運(yùn)用分析

從當(dāng)前短時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出，應(yīng)力波能夠有效監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部摩擦和沖擊的變化。在三級葉輪區(qū)域有異常摩擦存在，尤其是在高速軸軸承箱附近。四級葉輪的滑動軸承潤滑情況比三級葉輪的滑動軸承潤滑情況差。葉輪未發(fā)現(xiàn)明顯的部件磨損，但設(shè)備當(dāng)前的摩擦情況處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。尚未發(fā)現(xiàn)部件級損傷，未發(fā)現(xiàn)較為明顯的劣化跡象，設(shè)備依然處于正常服役狀態(tài)。建議持續(xù)監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測的直方圖變得更加偏態(tài)（能量向兩側(cè)或者單側(cè)持續(xù)傾斜），請對滑動軸承的潤滑情況進(jìn)行檢查；如果發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波能量值持續(xù)上升，請對軸平衡進(jìn)行檢查。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測現(xiàn)場的情況，請對三、四級葉輪蝸殼、齒輪箱的螺栓全部進(jìn)行緊固檢查，尤其對三四級軸瓦間隙、磨損進(jìn)行檢查。

4 結(jié)語

綜上所述，運(yùn)用應(yīng)力波技術(shù)長周期的對設(shè)備進(jìn)行傳感監(jiān)測和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時分析，可以全面掌握設(shè)備的日常運(yùn)行情況、運(yùn)行趨勢，尋找形成故障的原因，在故障發(fā)生早期、前期預(yù)測潛在的故障，密切關(guān)注偵測判斷具體設(shè)備部件故障的劣化，達(dá)到實(shí)時感知、全面分析、準(zhǔn)確預(yù)測和定位的典型效果，為保障生產(chǎn)設(shè)備安全、穩(wěn)定地完成生產(chǎn)任務(wù)、提升設(shè)備檢修工作水平、降低維護(hù)費(fèi)用、優(yōu)化備品備件和物料管理奠定技術(shù)基礎(chǔ)。