轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的故障診斷及在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 寧

（河鋼唐鋼設(shè)備機(jī)動(dòng)部，河北 唐山 063600）

懸掛減速機(jī)是轉(zhuǎn)爐設(shè)備的重要組成部件，利用在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)懸掛減速機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以及實(shí)現(xiàn)潛在故障的準(zhǔn)確識(shí)別，指導(dǎo)日常維護(hù)和檢修作業(yè)的開(kāi)展，從而使轉(zhuǎn)爐穩(wěn)定、健康的運(yùn)行，切實(shí)維護(hù)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。由于轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的結(jié)構(gòu)組成比較復(fù)雜，故障類型多種多樣，因此在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)應(yīng)盡可能采集多種信號(hào)，如振動(dòng)信號(hào)、電壓信號(hào)、溫度信號(hào)等，在此基礎(chǔ)上對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行匯總分析，以提高診斷結(jié)果的正確率。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，可通過(guò)樣本訓(xùn)練的方式提高診斷的精確性，因此基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線檢測(cè)故障診斷系統(tǒng)在轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)、故障識(shí)別中可以發(fā)揮良好的應(yīng)用價(jià)值。

1 轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的常見(jiàn)故障與診斷方法

1.1 轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的常見(jiàn)故障

從結(jié)構(gòu)組成上來(lái)看，轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的核心部件主要有齒輪、傳動(dòng)軸、滾動(dòng)軸承等，這些部件出現(xiàn)故障將直接影響減速機(jī)的正常運(yùn)行。

齒輪故障的具體表現(xiàn)形式有誤差、磨損、斷齒等。造成齒輪故障的原因主要與產(chǎn)品存在質(zhì)量瑕疵或者裝配不良有關(guān)。例如安裝時(shí)輪齒與內(nèi)孔不同心、各部分的軸線不對(duì)中等，齒輪運(yùn)行后無(wú)法完美嚙合，從而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損[1]。同時(shí)，由于齒輪所受載荷較大，如果嚙合不良，會(huì)加速金屬疲勞，導(dǎo)致齒根裂紋甚至是斷齒故障。另外，轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后，如果日常維護(hù)不到位，加上渣塵侵入，還會(huì)導(dǎo)致齒輪潤(rùn)滑不良，也會(huì)加劇齒輪的磨損。

軸故障的具體表現(xiàn)形式有軸不平衡、軸不對(duì)中以及軸變形等。軸的加工制造質(zhì)量不合格，或者安裝時(shí)出現(xiàn)失誤，都有可能導(dǎo)致偏心。當(dāng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏心質(zhì)量產(chǎn)生較大的離心慣性力，打破了原來(lái)的受力平衡，使軸發(fā)生不均勻的異常振動(dòng)。軸在長(zhǎng)期振動(dòng)或者受到較大的瞬時(shí)沖擊荷載后，容易發(fā)生局部彎曲。如果彎曲程度較小，會(huì)引起軸上齒輪的齒形誤差；如果彎曲程度較大，則會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊能量，嚴(yán)重時(shí)還可能造成軸的斷裂。

滾動(dòng)軸承故障的具體表現(xiàn)形式有疲勞剝落、塑性變形、腐蝕、膠合、保持架損壞等。在潤(rùn)滑失效、高速重載的運(yùn)行環(huán)境下，滾動(dòng)軸承會(huì)因?yàn)槟Σ炼a(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致零件溫度明顯升高，表面材料被燒傷后發(fā)生膠合現(xiàn)象。在一些投入使用年限較長(zhǎng)的設(shè)備中，滾動(dòng)軸承腐蝕現(xiàn)象也比較明顯，在受到化學(xué)腐蝕、電腐蝕、微振腐蝕的共同影響下，滾動(dòng)軸承的強(qiáng)度大幅度下降，增加了斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的故障診斷

傳統(tǒng)以人工經(jīng)驗(yàn)為主或者借助于檢測(cè)儀器的故障診斷方法，存在時(shí)效性差、精確度不高等問(wèn)題?；谡駝?dòng)信號(hào)提取與分析的線監(jiān)測(cè)故障診斷，具有診斷精度高、可實(shí)時(shí)識(shí)別故障等特點(diǎn)，實(shí)用效果更好。其中，振動(dòng)信號(hào)相比于溫度信號(hào)、電壓信號(hào)，可以更加直觀地反映出被監(jiān)測(cè)工件的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，對(duì)提高故障診斷的準(zhǔn)確度有一定效果[2]。以齒輪故障為例，當(dāng)齒輪處于帶病運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，載荷波動(dòng)產(chǎn)生幅值調(diào)制，轉(zhuǎn)速波動(dòng)產(chǎn)生頻率調(diào)制。這時(shí)振動(dòng)信號(hào)的譜圖上會(huì)形成以嚙合頻率為中心、兩個(gè)等間隔分布的頻帶，從而根據(jù)譜圖確定故障位置，為齒輪故障的查找與確定提供了技術(shù)支持。需要注意的是，由于振動(dòng)信號(hào)在傳遞過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減，以及其他因素的干擾（如噪聲干燥），可能會(huì)對(duì)故障診斷結(jié)果的精確性造成影響。因此，在采集振動(dòng)信號(hào)以后，一方面是需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪、濾波等一系列預(yù)處理；另一方面還要使用人工智能技術(shù)（如BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等）對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，最終確定故障。

2 轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)主要包括前端數(shù)據(jù)采集模塊（振動(dòng)傳感器、電壓傳感器等）、通訊模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及工程師站等組成，結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。

圖1 在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)中使用了多種類型的傳感器，其中振動(dòng)傳感器采用壓電式加速度計(jì)，可精確采集被監(jiān)測(cè)裝置的速度、位移等參數(shù)；電流傳感器采用霍爾可拆卸傳感器；PLC 總線可提供轉(zhuǎn)爐爐體的轉(zhuǎn)速、傾角等信號(hào)。前端傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理模塊進(jìn)行濾波、降噪、放大等處理后，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)通信模塊傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。工程師站可提取數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信號(hào)進(jìn)行故障分析、運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)故障的識(shí)別和處理。

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)備有前端傳感器、調(diào)理裝置、采集卡等。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)USB 接口分別連接調(diào)理裝置和工控機(jī)。一方面能夠?qū)⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)上傳至工控機(jī)；另一方面也能將工控機(jī)下達(dá)的各項(xiàng)控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給前端的執(zhí)行器[3]。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)則是以計(jì)算機(jī)為核心，具體又分為工程師站、現(xiàn)場(chǎng)觀察站和廠辦公網(wǎng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基于前端提供數(shù)據(jù)，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)綜合分析，然后將分析結(jié)果以簡(jiǎn)明易懂的方式在顯示器上呈現(xiàn)出來(lái)，方便管理人員及時(shí)掌握轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)是否存在故障；如果存在故障，還能提供故障的發(fā)生位置等信息，為下一步進(jìn)行故障維修處理提供參考依據(jù)。

2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分由5 個(gè)模塊組成，如在線監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)分析模塊等，各模塊的功能見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件組成框圖

系統(tǒng)軟件是基于Delphi 編程工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該工具可支持C++、VB 等多種主流的編程語(yǔ)言，并且提供數(shù)據(jù)庫(kù)引擎（BDE）和多種Active 組件，開(kāi)發(fā)者可根據(jù)需要直接調(diào)用數(shù)據(jù)和組件，從而降低了軟件開(kāi)發(fā)難度，提高了開(kāi)發(fā)效率。

2.4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.4.1 監(jiān)測(cè)信號(hào)的選型 結(jié)合轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，可用于判斷設(shè)備是否存在運(yùn)行故障的監(jiān)測(cè)信號(hào)有多種，例如振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)、聲音信號(hào)、電壓信號(hào)等。從現(xiàn)有的技術(shù)條件來(lái)看，振動(dòng)信號(hào)的采集難度較低，并且通過(guò)分析振動(dòng)頻率可以直觀、準(zhǔn)確地判斷出被監(jiān)測(cè)裝置是否存在異常工況。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將振動(dòng)信號(hào)作為減速機(jī)故障診斷的主要依據(jù)。

大力推廣清潔能源應(yīng)用，積極推進(jìn)港口岸電設(shè)施和液化天然氣加注碼頭建設(shè)，西江干線10個(gè)LNG加注碼頭已納入《長(zhǎng)江干線京杭運(yùn)河西江航運(yùn)干線液化天然氣加注碼頭布局方案（2017—2025年）》，其中廣西梧州港首座LNG加注站已投入運(yùn)營(yíng)。目前，珠江三角洲港口群已配備了近500臺(tái)LNG動(dòng)力港作車，建成6座撬裝式LNG加氣站，水系主要港口的重要港區(qū)均已建設(shè)岸電設(shè)施。港口與船舶污染物接收轉(zhuǎn)運(yùn)處置與港口作業(yè)污染專項(xiàng)治理，也在不斷推進(jìn)當(dāng)中。

2.4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置 科學(xué)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠減輕外部干擾的影響，從而使采集到的數(shù)據(jù)能更加準(zhǔn)確地反映出轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，間接地提高故障診斷的精確性。結(jié)合轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提高監(jiān)測(cè)精度的有效措施是減少振動(dòng)傳遞損失，因此可以選擇在阻尼小、剛性好的基座、軸承座等位置布置監(jiān)測(cè)傳感器。以軸承座為例，分別在水平（X）、垂直（Y）和軸向（Z）三個(gè)方向上安裝傳感器，這樣就能準(zhǔn)確獲得振動(dòng)變化[4]。

轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)分為2 種類型，其中一次減速機(jī)采用三級(jí)齒輪減速，分別在輸入端和輸出端的軸承座上布置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可獲得徑向和軸向振動(dòng)信號(hào)。1 臺(tái)轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)內(nèi)共有4 臺(tái)一次減速機(jī)，因此可以采集到2×2×4=16 個(gè)振動(dòng)信號(hào)。一次減速機(jī)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖3。

圖3 一次減速機(jī)測(cè)點(diǎn)布置示意

二次減速機(jī)采用單級(jí)齒輪減速，在軸承座出布置3個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；另外在直流電機(jī)處分別安裝1 個(gè)電流和電壓傳感器。一臺(tái)轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)內(nèi)有1 臺(tái)二級(jí)減速機(jī)，可以獲得3+2=5 個(gè)振動(dòng)信號(hào)。二次減速機(jī)上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置見(jiàn)圖4。

圖4 二次減速機(jī)測(cè)點(diǎn)布置示意

2.4.3 監(jiān)測(cè)信號(hào)分析 該系統(tǒng)采用小波包分析法對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，通過(guò)提取故障特征頻率，為下一步實(shí)現(xiàn)故障的精確診斷創(chuàng)造了良好條件。監(jiān)測(cè)信號(hào)分析共包括4 個(gè)步驟：

步驟1：獲取原始數(shù)據(jù)的時(shí)域波形圖。將經(jīng)過(guò)濾波、放大等預(yù)處理的監(jiān)測(cè)信號(hào)導(dǎo)入到在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)中，進(jìn)入綜合分析界面，選擇“時(shí)域波形圖”。在彈出的對(duì)話框中，選擇需要分析的監(jiān)測(cè)信號(hào)，在左側(cè)的“數(shù)據(jù)特征值”一欄中，可以顯示當(dāng)前信號(hào)的均值、峰值、偏態(tài)、峭度等特征參數(shù)，在右側(cè)的“波形圖”一欄中，可以顯示原始波形。點(diǎn)擊“降噪后分析”，可以得到小波閾值降噪波形圖[5]。

步驟2：從菜單欄中選擇功率譜圖，按照同樣的操作選擇需要分析的監(jiān)測(cè)信號(hào)，并按照信號(hào)的峰值進(jìn)行排序?？梢缘玫矫恳粋€(gè)信號(hào)的特征頻率和功率譜能量。點(diǎn)擊“小波波分解后分析”，可以得到小波強(qiáng)制降噪或小波閾值降噪波形圖。

步驟3：從菜單欄中選擇小波分解，在新的界面中自定義小波函數(shù)和分解尺度。例如將小波函數(shù)設(shè)置為“S=d1+d2+d3+d4”，分解尺度設(shè)置為4，設(shè)置完成后分別選擇“時(shí)域波形”“頻域波形”，可獲得相應(yīng)的波形圖。

2.4.4 故障診斷 本研究設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)，首先利用時(shí)域、頻率和小波分析相結(jié)合的方式，從前端反饋的海量監(jiān)測(cè)信號(hào)中提取出具有故障特征的信號(hào)；然后再利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷從信號(hào)中提取有效值、峭度、2 倍齒輪嚙合頻率賦值、1 倍周轉(zhuǎn)頻幅值、軸承內(nèi)圈特征頻率賦值等參數(shù)，組成訓(xùn)練樣本。對(duì)上述數(shù)據(jù)做歸一化處理后，將訓(xùn)練樣本中的特征向量輸入到系統(tǒng)中進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的設(shè)置見(jiàn)圖5。

圖5 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的設(shè)置

點(diǎn)擊“訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)”，經(jīng)過(guò)19 次訓(xùn)練后，誤差達(dá)到要求，可用于網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。將測(cè)試樣本數(shù)據(jù)送入到已經(jīng)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，輸出內(nèi)容及診斷結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試樣本輸出及診斷結(jié)果

結(jié)合上表數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的內(nèi)圈、外圈、磨損和崩齒4 種故障均可以成功識(shí)別，而設(shè)備的滾珠故障診斷結(jié)果顯示正常，未能成功識(shí)別，故障識(shí)別的準(zhǔn)確率為80%。下一步，要繼續(xù)增加學(xué)習(xí)樣本的數(shù)量，經(jīng)過(guò)反復(fù)訓(xùn)練后系統(tǒng)對(duì)故障識(shí)別的成功率也會(huì)不斷提升。

3 結(jié)論

轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)在投入運(yùn)行一段時(shí)間后，由于運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、材料自身老化等因素的影響，不可避免會(huì)出現(xiàn)磨損、崩齒等故障。為了使設(shè)備正常運(yùn)行、避免大修或停運(yùn)事故，必須要設(shè)計(jì)和使用在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)，通過(guò)采集前端的振動(dòng)信號(hào)并開(kāi)展分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常工況的超前識(shí)別。然后利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，對(duì)異常工況做進(jìn)一步的判斷，成功識(shí)別故障，進(jìn)而為下一步開(kāi)展轉(zhuǎn)爐懸掛減速機(jī)的運(yùn)行維護(hù)提供必要的技術(shù)支持。