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)測儀器后開展減速機(jī)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，通過各項設(shè)備故障診斷手段分析設(shè)備存在的故障隱患，對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性檢查。迄今共進(jìn)行了10次具有高針對性的設(shè)備預(yù)知維修，問題檢出率達(dá)到100%，將停機(jī)次數(shù)與停機(jī)時間控制在使用前的2/3以內(nèi)，每年降低生產(chǎn)成本5000萬元。
關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備；狀態(tài)監(jiān)測；振動故障
1 前言
永鋒淄博公司鋼軋廠3條軋線設(shè)備有50臺不同傳動比減速機(jī)，常規(guī)巡檢中點(diǎn)巡檢人員主要憑感官經(jīng)驗或依靠簡單儀器，無法做到數(shù)據(jù)量化或準(zhǔn)確測量，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)測儀器，開展設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，對儲存、傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)利用時域頻譜、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次具有高針對性的設(shè)備預(yù)知維修，問題檢出率達(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
設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是實(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)測方式包括在線監(jiān)測和離線監(jiān)測。前者投資成本高，監(jiān)測對象以關(guān)鍵設(shè)備為主；后者投資成本低，主要針對大量的散在分布的中小型設(shè)備。
2.1監(jiān)測機(jī)械選取原則
在決定對哪些機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測時，關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)有優(yōu)先權(quán)。為了避免不可預(yù)知的和高昂代價的問題，下面的設(shè)備應(yīng)當(dāng)定期監(jiān)測：如果損壞，維修費(fèi)用昂貴、維修時間長、修理困難的機(jī)械；對生產(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，同時支撐旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與振動所產(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。振動測量通常在軸承處進(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。一個安裝松動的傳感器因它本身的自由運(yùn)動將產(chǎn)生扭曲的信號并給出錯誤的信息。
傳感器安裝方法有很多，但依靠磁力的安裝手段最為常用，因為它兼顧了測量的可靠性和對用戶的便利性兩個方面。當(dāng)測量各種設(shè)備時，可以提供牢固聯(lián)接，并可在最短時間內(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。
在堅固的物體上安裝加速度計，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)的振動行為。
3 設(shè)備故障診斷分析
通過傳感器采集數(shù)據(jù)后需要對已有數(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)檢測的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累，來確定設(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)報設(shè)備故障發(fā)展趨勢，此項技術(shù)也即設(shè)備故障診斷分析。
3.1常見振動故障
在機(jī)械故障的眾多診斷信息中，振動信號能夠更迅速、更直接地反映機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，70％以上的故障都是以振動形式表現(xiàn)出來的。
常見振動故障分為強(qiáng)迫振動類故障和自激振動類故障。其中強(qiáng)迫振動類故障包括不平衡、不對中、永久彎曲、松動、齒輪故障等；自激振動類故障包括油膜渦動、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)備常見的振動故障診斷分析要點(diǎn)
根據(jù)常用設(shè)備歷史振動監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合2a來的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)作綜合分析，軋制機(jī)械設(shè)備存在的主要振動故障有五種類型：軸系質(zhì)量不平衡故障60%，軸系對中不良故障13%，軸系松動磨損故障12%，軸承故障11%，其他故障4%。通過對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、不均衡的電動機(jī)繞組以及斷裂、變形、腐蝕或臟的扇葉都會造成機(jī)器部件的不平衡。對于不平衡問題，通常在相鄰且位置相差90°的測點(diǎn)上，測量得到的振動相位相差約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題。說明存在不平衡問題的最有力的指示是比較在支撐轉(zhuǎn)子的兩個軸承座上測量得到的相位值。診斷中不平衡具有典型特征：1）具有較高的徑向振動。時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。3）不平衡對轉(zhuǎn)速的變化最敏感（與轉(zhuǎn)速平方成正比）。
3.2.2轉(zhuǎn)子對中不良
不對中分三種情況：平行不對中、角度不對中、綜合不對中。大多數(shù)的不對中問題是平行不對中和角不對中同時存在，單純的角不對中或平行不對中是很少見的。不對中問題的振動相位特點(diǎn)是，在聯(lián)軸節(jié)兩側(cè)的振動相位差接近180°。振動幅值和相位角的測量應(yīng)該在聯(lián)軸節(jié)相鄰的兩個軸承座的4個象限位置進(jìn)行。為了檢測不對中情況的存在，要測量的兩個軸承座應(yīng)該是處在聯(lián)軸節(jié)的兩側(cè)。徑向振動相位對軸平行不對中問題比較敏感，而軸向振動相位對軸角不對中問題比較敏感。在進(jìn)行振動相位測量比較時，重要的一點(diǎn)是要遵守振動傳感器的安裝方向的規(guī)定。若振動傳感器安裝方向反，會導(dǎo)至180°的相位移動，從而導(dǎo)至不對中的錯誤指示。診斷中不對中會表現(xiàn)出典型特征：1）具有較大的軸向和徑向振動，在1XRPM，2XRPM或3XRPM處會出現(xiàn)穩(wěn)定峰值，在4~10XRPM處諧波成分較低，時域波形中沒有“g”形沖擊；2）不對中振動隨負(fù)荷的增加而成正比增加，但轉(zhuǎn)速影響不大。
3.2.3松動磨損
機(jī)械松動分為結(jié)果松動和轉(zhuǎn)動部件松動，松動本身不是純粹的故障，不會直接產(chǎn)生振動，但起到放大故障的作用。因地腳螺栓松動而引起的振動，方向特征很明顯，表現(xiàn)在垂直方向很強(qiáng)烈；由于零件配合松動引起的振動，其方向特征不明顯，但此時機(jī)械對其他干擾的反應(yīng)卻很靈敏，若此時轉(zhuǎn)子存在輕度不平衡或不對中時就會使振動顯著增大；滑動軸承的軸瓦如果存在松動也會引起垂直方向的振動增大。故障診斷中具有較大的徑向的振動，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，時域波形顯示出雜亂和沖擊；具有較低或正常的軸向振動，如果是止推軸承出現(xiàn)了松動則會出現(xiàn)較大的軸向振動。
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)過程中由于各種原因引起損壞，如裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分異物侵入、腐蝕和過載等可使軸承過早損壞。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，軸承及滾動體旋轉(zhuǎn)就會輪番碾壓這些表面損傷處，高速的內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)會使這種碾壓產(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)際檢測中滾動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；能量上會出現(xiàn)寬帶波峰；時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。診斷時注意觀察徑向振動（如果軸向有負(fù)載需要查看軸向振動），可能會出現(xiàn)軸承故障頻率的諧波，邊帶。
3.2.5齒輪缺陷
在傳動中，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。一般來說，當(dāng)在嚙合頻率處有峰值時，齒輪油存在問題；當(dāng)出現(xiàn)嚙合頻率的高次諧波時，劣化程度加??；當(dāng)出現(xiàn)邊帶且邊帶峰值達(dá)到一定值時，齒輪到了失效的邊緣。診斷時表現(xiàn)為在嚙合頻率處有較高的徑向振動，并帶有調(diào)制邊帶；具有較大的軸向振動，對螺旋齒輪、斜齒輪或人字齒輪軸向振動的頻率和徑向相同。
4 結(jié)語
利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，能夠比較有效地進(jìn)行設(shè)備缺油、松動、不平衡、不對中等故障的預(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；對故障原因或故障部位有針對性地開展檢修工作，能縮短維修時間，降低維修費(fèi)用。
自2014年投入運(yùn)行至今，通過預(yù)知維修，將停機(jī)次數(shù)與停機(jī)時間控制在使用前的2/3以內(nèi)，降低了累計停產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失，減少了備件消耗和備件庫存，顯著降低備件購置費(fèi)，縮短了維修時間，每年可降低生產(chǎn)成本5000萬元。
來源：《山東冶金》2016年第6期
