王建華，謝紅委
（山鋼集團(tuán)永鋒淄博有限公司鋼軋廠，山東淄博，255007）
摘 要：永鋒淄博公司上線狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器后開展減速機(jī)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)各項(xiàng)設(shè)備故障診斷手段分析設(shè)備存在的故障隱患，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性檢查。迄今共進(jìn)行了10次具有高針對(duì)性的設(shè)備預(yù)知維修，問(wèn)題檢出率達(dá)到100%，將停機(jī)次數(shù)與停機(jī)時(shí)間控制在使用前的2/3以內(nèi)，每年降低生產(chǎn)成本5000萬(wàn)元。
關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；振動(dòng)故障
1 前言
永鋒淄博公司鋼軋廠3條軋線設(shè)備有50臺(tái)不同傳動(dòng)比減速機(jī)，常規(guī)巡檢中點(diǎn)巡檢人員主要憑感官經(jīng)驗(yàn)或依靠簡(jiǎn)單儀器，無(wú)法做到數(shù)據(jù)量化或準(zhǔn)確測(cè)量，不利于事故處理、分析、追責(zé)、改進(jìn)等一系列后續(xù)措施的開展。2014年鋼軋廠上線了先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器，開展設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)儲(chǔ)存、傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用時(shí)域頻譜、包絡(luò)譜等相應(yīng)譜圖等故障診斷手段分析診斷設(shè)備存在的故障，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性檢查。迄今共進(jìn)行了10次具有高針對(duì)性的設(shè)備預(yù)知維修，問(wèn)題檢出率達(dá)到100%，保證了設(shè)備性能的高度穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了設(shè)備零部件的使用壽命，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。
2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)
設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確、全面的設(shè)備監(jiān)測(cè)信息是實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修的可靠保證。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)方式包括在線監(jiān)測(cè)和離線監(jiān)測(cè)。前者投資成本高，監(jiān)測(cè)對(duì)象以關(guān)鍵設(shè)備為主；后者投資成本低，主要針對(duì)大量的散在分布的中小型設(shè)備。
2.1監(jiān)測(cè)機(jī)械選取原則
在決定對(duì)哪些機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)有優(yōu)先權(quán)。為了避免不可預(yù)知的和高昂代價(jià)的問(wèn)題，下面的設(shè)備應(yīng)當(dāng)定期監(jiān)測(cè)：如果損壞，維修費(fèi)用昂貴、維修時(shí)間長(zhǎng)、修理困難的機(jī)械；對(duì)生產(chǎn)或全廠運(yùn)行關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備；那些經(jīng)常發(fā)生損壞的機(jī)械；正在因可靠性被評(píng)估的機(jī)械；影響人類或環(huán)境安全的機(jī)械。
2.2加速度傳感器的安裝
許多機(jī)械包含旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、風(fēng)扇、皮帶運(yùn)輸機(jī)、齒輪箱等都涉及到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)并在機(jī)械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。許多旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備由軸承支撐旋轉(zhuǎn)部件的重量，同時(shí)支撐旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與振動(dòng)所產(chǎn)生的力，通常大部分的力由軸承支撐，因而軸承是損壞經(jīng)常發(fā)生且最先癥狀發(fā)展的部位。振動(dòng)測(cè)量通常在軸承處進(jìn)行，把加速度傳感器安裝在軸承上或軸承附近。為確保測(cè)量的準(zhǔn)確性并且保證人身的安全，加速度傳感器的安裝方法有如下指導(dǎo)原則：1）盡可能靠近軸承安裝。2）確信傳感器聯(lián)接牢固。傳感器與磁座的連接螺紋一定要牢固。一個(gè)安裝松動(dòng)的傳感器因它本身的自由運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生扭曲的信號(hào)并給出錯(cuò)誤的信息。
傳感器安裝方法有很多，但依靠磁力的安裝手段最為常用，因?yàn)樗骖櫫藴y(cè)量的可靠性和對(duì)用戶的便利性兩個(gè)方面。當(dāng)測(cè)量各種設(shè)備時(shí)，可以提供牢固聯(lián)接，并可在最短時(shí)間內(nèi)安裝和拆除傳感器。
要確信傳感器被牢固聯(lián)接，磁座被放置的表面應(yīng)當(dāng)是平的。磁座應(yīng)當(dāng)安全的吸在表面上使傳感器指向預(yù)定的方向，如圖1所示。
在堅(jiān)固的物體上安裝加速度計(jì)，傳感器永遠(yuǎn)不要安裝在機(jī)器的柔性部分，否則，頻譜將因柔性部件的拍動(dòng)而畸變。傳感器永遠(yuǎn)不要在輕的結(jié)構(gòu)上使用，否則，傳感器和磁座的重量將改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)行為。
3 設(shè)備故障診斷分析
通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)后需要對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了了解和掌握設(shè)備在使用過(guò)程中的狀態(tài)，在設(shè)備基本不拆卸、不解體的情況下，根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，來(lái)確定設(shè)備整體或局部是正?；虍惓?，以便于早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障及其原因并能早期預(yù)報(bào)設(shè)備故障發(fā)展趨勢(shì)，此項(xiàng)技術(shù)也即設(shè)備故障診斷分析。
3.1常見(jiàn)振動(dòng)故障
在機(jī)械故障的眾多診斷信息中，振動(dòng)信號(hào)能夠更迅速、更直接地反映機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70％以上的故障都是以振動(dòng)形式表現(xiàn)出來(lái)的。
常見(jiàn)振動(dòng)故障分為強(qiáng)迫振動(dòng)類故障和自激振動(dòng)類故障。其中強(qiáng)迫振動(dòng)類故障包括不平衡、不對(duì)中、永久彎曲、松動(dòng)、齒輪故障等；自激振動(dòng)類故障包括油膜渦動(dòng)、油膜振蕩、氣隙振蕩、內(nèi)腔積液、轉(zhuǎn)子內(nèi)阻、徑向與軸向摩擦等。
3.2機(jī)械設(shè)備常見(jiàn)的振動(dòng)故障診斷分析要點(diǎn)
根據(jù)常用設(shè)備歷史振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合2a來(lái)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作綜合分析，軋制機(jī)械設(shè)備存在的主要振動(dòng)故障有五種類型：軸系質(zhì)量不平衡故障60%，軸系對(duì)中不良故障13%，軸系松動(dòng)磨損故障12%，軸承故障11%，其他故障4%。通過(guò)對(duì)各類故障類型診斷分析，歸納發(fā)現(xiàn)不同類型具有各自特有屬性，總結(jié)分析判斷的要點(diǎn)如下。
3.2.1轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡
不同的材料密度、螺栓尺寸的變化、鑄件的氣穴、丟失的平衡重塊、不正確的平衡措施、不均衡的電動(dòng)機(jī)繞組以及斷裂、變形、腐蝕或臟的扇葉都會(huì)造成機(jī)器部件的不平衡。對(duì)于不平衡問(wèn)題，通常在相鄰且位置相差90°的測(cè)點(diǎn)上，測(cè)量得到的振動(dòng)相位相差約90°。如果此相位角較大地偏離90°，意味著存在著除不平衡以外的其他問(wèn)題。說(shuō)明存在不平衡問(wèn)題的最有力的指示是比較在支撐轉(zhuǎn)子的兩個(gè)軸承座上測(cè)量得到的相位值。診斷中不平衡具有典型特征：1）具有較高的徑向振動(dòng)。時(shí)域波形和頻譜圖上均具有穩(wěn)定的1XRPM分量，在1XRPM上的幅值隨轉(zhuǎn)速穩(wěn)定增加，在2XRPM、3XRPM等處幅值較低。2）具有較低的軸向振動(dòng)。3）不平衡對(duì)轉(zhuǎn)速的變化最敏感（與轉(zhuǎn)速平方成正比）。
3.2.2轉(zhuǎn)子對(duì)中不良
不對(duì)中分三種情況：平行不對(duì)中、角度不對(duì)中、綜合不對(duì)中。大多數(shù)的不對(duì)中問(wèn)題是平行不對(duì)中和角不對(duì)中同時(shí)存在，單純的角不對(duì)中或平行不對(duì)中是很少見(jiàn)的。不對(duì)中問(wèn)題的振動(dòng)相位特點(diǎn)是，在聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)的振動(dòng)相位差接近180°。振動(dòng)幅值和相位角的測(cè)量應(yīng)該在聯(lián)軸節(jié)相鄰的兩個(gè)軸承座的4個(gè)象限位置進(jìn)行。為了檢測(cè)不對(duì)中情況的存在，要測(cè)量的兩個(gè)軸承座應(yīng)該是處在聯(lián)軸節(jié)的兩側(cè)。徑向振動(dòng)相位對(duì)軸平行不對(duì)中問(wèn)題比較敏感，而軸向振動(dòng)相位對(duì)軸角不對(duì)中問(wèn)題比較敏感。在進(jìn)行振動(dòng)相位測(cè)量比較時(shí)，重要的一點(diǎn)是要遵守振動(dòng)傳感器的安裝方向的規(guī)定。若振動(dòng)傳感器安裝方向反，會(huì)導(dǎo)至180°的相位移動(dòng)，從而導(dǎo)至不對(duì)中的錯(cuò)誤指示。診斷中不對(duì)中會(huì)表現(xiàn)出典型特征：1）具有較大的軸向和徑向振動(dòng)，在1XRPM，2XRPM或3XRPM處會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定峰值，在4~10XRPM處諧波成分較低，時(shí)域波形中沒(méi)有“g”形沖擊；2）不對(duì)中振動(dòng)隨負(fù)荷的增加而成正比增加，但轉(zhuǎn)速影響不大。
3.2.3松動(dòng)磨損
機(jī)械松動(dòng)分為結(jié)果松動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)，松動(dòng)本身不是純粹的故障，不會(huì)直接產(chǎn)生振動(dòng)，但起到放大故障的作用。因地腳螺栓松動(dòng)而引起的振動(dòng)，方向特征很明顯，表現(xiàn)在垂直方向很強(qiáng)烈；由于零件配合松動(dòng)引起的振動(dòng)，其方向特征不明顯，但此時(shí)機(jī)械對(duì)其他干擾的反應(yīng)卻很靈敏，若此時(shí)轉(zhuǎn)子存在輕度不平衡或不對(duì)中時(shí)就會(huì)使振動(dòng)顯著增大；滑動(dòng)軸承的軸瓦如果存在松動(dòng)也會(huì)引起垂直方向的振動(dòng)增大。故障診斷中具有較大的徑向的振動(dòng)，具有較強(qiáng)的諧波存在，特別是在3~10XRPM處，還可能出現(xiàn)次諧波或混疊諧波，時(shí)域波形顯示出雜亂和沖擊；具有較低或正常的軸向振動(dòng)，如果是止推軸承出現(xiàn)了松動(dòng)則會(huì)出現(xiàn)較大的軸向振動(dòng)。
3.2.4軸承故障
軸承的特征頻率與故障具體部位、軸承零件幾何尺寸、軸承工作轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)系。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、水分異物侵入、腐蝕和過(guò)載等可使軸承過(guò)早損壞。主要表現(xiàn)為疲勞剝落、磨損、塑性變形、銹蝕、斷裂、膠合、保持架損壞等。當(dāng)軸承表面損傷時(shí)，軸承及滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)就會(huì)輪番碾壓這些表面損傷處，高速的內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)會(huì)使這種碾壓產(chǎn)生沖擊，故障沖擊引起的縱波在材料尚未發(fā)生形變之前就以聲速向外發(fā)射，有著陡峭的前沿波形和極其豐富的頻譜。實(shí)際檢測(cè)中滾動(dòng)軸承頻譜具有以下特點(diǎn)：明顯的具有不同峰值的諧波成分；能量上會(huì)出現(xiàn)寬帶波峰；時(shí)域波形可以看出明顯的沖擊波形；早期的故障表現(xiàn)為低幅值的振動(dòng)。診斷時(shí)注意觀察徑向振動(dòng)（如果軸向有負(fù)載需要查看軸向振動(dòng)），可能會(huì)出現(xiàn)軸承故障頻率的諧波，邊帶。
3.2.5齒輪缺陷
在傳動(dòng)中，一般存在嚙合頻率和自然頻率。此外，由于齒輪的頻率分量常被齒隙、偏心、載荷和其他缺陷造成的脈沖所調(diào)制，從而出現(xiàn)旁瓣或邊帶。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)在嚙合頻率處有峰值時(shí)，齒輪油存在問(wèn)題；當(dāng)出現(xiàn)嚙合頻率的高次諧波時(shí)，劣化程度加??；當(dāng)出現(xiàn)邊帶且邊帶峰值達(dá)到一定值時(shí)，齒輪到了失效的邊緣。診斷時(shí)表現(xiàn)為在嚙合頻率處有較高的徑向振動(dòng)，并帶有調(diào)制邊帶；具有較大的軸向振動(dòng)，對(duì)螺旋齒輪、斜齒輪或人字齒輪軸向振動(dòng)的頻率和徑向相同。
4 結(jié)語(yǔ)
利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能夠比較有效地進(jìn)行設(shè)備缺油、松動(dòng)、不平衡、不對(duì)中等故障的預(yù)警和判斷，避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，避免嚴(yán)重生產(chǎn)事故的發(fā)生；對(duì)故障原因或故障部位有針對(duì)性地開展檢修工作，能縮短維修時(shí)間，降低維修費(fèi)用。
自2014年投入運(yùn)行至今，通過(guò)預(yù)知維修，將停機(jī)次數(shù)與停機(jī)時(shí)間控制在使用前的2/3以內(nèi)，降低了累計(jì)停產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失，減少了備件消耗和備件庫(kù)存，顯著降低備件購(gòu)置費(fèi)，縮短了維修時(shí)間，每年可降低生產(chǎn)成本5000萬(wàn)元。
來(lái)源：《山東冶金》2016年第6期
