盤磨機故障的振動特征分析

湯 偉 劉慶立 饒智逵 王孟效

(1.陜西科技大學工業(yè)自動化研究所，陜西西安，710021;2.陜西西微測控工程有限公司，陜西咸陽，712081)

在堿性過氧化氫化學機械漿 (APMP)生產過程中，盤式磨漿機 (以下簡稱盤磨機)是典型的機、電、液一體化裝備，也是APMP生產線中最重要的關鍵設備之一［1］。APMP生產線中配備的高濃盤磨機功率一般都在1000 kW以上，造價和能耗都非常大，一旦出現(xiàn)故障，帶來的損失很大。由于高濃磨漿系統(tǒng)通常包括磨漿子系統(tǒng)、喂料子系統(tǒng)、潤滑子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)及電氣控制子系統(tǒng)等，并伴隨有蒸汽壓力進入［2-3］，所以其故障帶有典型的多對多故障模式，即一種故障可能由多種原因造成，或者一種故障模式造成多種故障征兆，并且在故障診斷過程中所采樣的數(shù)據(jù)是局部信號并非全局信號［4-5］。另外，在盤磨機故障診斷系統(tǒng)中，所需要判定的故障模式以及其狀態(tài)監(jiān)測主要是漸進式的，為了保證磨漿質量以及故障診斷的快速性，需要排除外圍輔助系統(tǒng)失效或周邊故障的影響［6-7］。因此，大功率盤磨機故障診斷是一個重要的研究課題。

盤磨機在運行過程中的多種參數(shù)，如振動、溫度、壓力、噪聲、電流等包含有故障信息，而具體選擇哪種參數(shù)，需從成本及適用性兩方面來考慮。根據(jù)盤磨機的運行特點及機械結構特點，本課題從振動特征入手，討論盤磨機的常見故障特征，通過對盤磨機的振動信號分析得出盤磨機的故障特征，再根據(jù)故障特征判定盤磨機的故障原因，并研究排除故障的策略。

1 大型盤磨機結構

圖1 盤磨機機械結構示意圖

對于高濃磨漿系統(tǒng)而言，常見的盤磨機有單盤磨漿機、雙盤磨漿機、三盤磨漿機以及錐形磨漿機等［8］。本課題研究的盤磨機結構示意圖如圖1所示［6］。該盤磨機由磨體、磨片、主軸、軸承、液壓進退刀裝置、聯(lián)軸器、機座、電機等組成。為了達到減振效果，大型盤磨機通常在底部以剛性支架支撐，同時為了保證電機與盤磨機保持同步性，需要將電機與盤磨機固定在一起，并在地面上加防振墊。按照這樣的安裝方式，絕大部分振動都可被抵消［4］。盤磨機的主軸連接著動盤，定盤固定在磨漿室內并且留有進料口;轉子系統(tǒng)靠兩個滑動軸承支撐，兩個滑動軸承承受徑向和軸向的雙向載荷;磨盤間隙通過液壓缸帶動磨盤移動來進行調節(jié)，電機與轉軸之間通過聯(lián)軸器連接。

2 盤磨機振動與故障特征

旋轉機械在運行過程中都會伴隨振動，正常運行的旋轉機械會產生特有的規(guī)律振動，而當設備內部出現(xiàn)故障、零部件有缺陷、裝配和安裝情況發(fā)生變化時，其振動信號的振幅值、振動形式以及頻譜成分均會發(fā)生變化。不同缺陷和故障引起的振動方式也不同。通過振動的測量分析，可以找出故障信號的異常振動，這些異常振動常常包括振動位移的峰值、振動速度的加快以及振動信號的頻域分解有奇異頻率等［9］，因而可準確判斷設備內部隱藏的缺陷及其發(fā)展情況，有利于及時檢修，及時發(fā)現(xiàn)并防止故障或者缺陷蔓延。盤磨機的故障特征就可以通過其振動的頻率特征、峰值特征等來表示。目前設備的振動故障分析中，以振動信號的時域分析和頻域分析應用最多也最成熟，本課題基于振動的頻率特征分析來表征盤磨機的故障特征。

2.1 盤磨機振動特征

振動是一個動態(tài)變化量。簡諧振動通常被認為是旋轉機械最基本、最常見的振動形式，其按正弦或余弦規(guī)律變化，如圖2所示。簡諧振動方程可以寫為式 (1)。

式中，y為振動位移，A為振動幅值，φ為振動初始相位，ω為圓頻率，f為振動頻率，T為周期。振動幅值反映了振動大小，振動頻率反映了振動量動態(tài)變化的快慢程度，振動初始相位反映了信號在t=0時刻的初始狀態(tài)。

圖2 簡諧振動

盤磨機的實際振動信號由大量不同圓頻率ωi、振動幅值Ai和振動相位φi的簡諧分量合成，見式(2)。圖3為一組振動信號波形的分解實例。

式 (2)中的頻率為振動信號頻率，與盤磨機轉速有關。通常在頻譜分析中所說的倍頻則是指存在與設備轉速頻率成多少倍關系的頻率分量。

圖3 振動信號波形的分解

圖4 轉子系統(tǒng)不平衡示意圖

在振動信號分析中，當前使用最多的方法是頻譜分析法，利用快速傅里葉變換可以分析出復雜振動所包含的頻率成分。通常，某種特定的故障必然具備相應的頻率特征，例如:轉子不平衡表現(xiàn)的特征頻率為工頻，而通過頻譜分析可以找出哪個頻率存在大的峰值，也就可以判斷該頻率特征是否存在［10］。

盤磨機由大功率的同步電機帶動，運行過程中動、定盤擠壓并摩擦纖維，同時由液壓推進控制進退刀，并通過旋轉螺旋推進器進料。盤磨機異常振動的原因有多種，如旋轉部件的缺陷、損壞以及運行過程中壓力不穩(wěn)、出口堵塞、磨刀損壞等情況，而在磨漿過程中的進退刀控制過程也會引起振動的變化。

引起盤磨機異常振動的原因大致可分為以下五大類［11］。

(1)轉子系統(tǒng)不平衡。主要包括:轉軸彎曲、軸與軸孔間隙過大、磨片磨損等三個方面。轉軸彎曲會使轉軸在高速旋轉過程中重心不平衡而使振動加劇，軸與軸孔之間的間隙過大則使支撐受力不平衡并產生異常振動，磨片的損壞也會導致旋轉動盤重心不對中，在振動信號中會發(fā)現(xiàn)異常頻率，當然磨齒損壞位置的不同，頻譜分析所得到的異常頻率也不同，如圖4所示。

(2)動盤不平衡。動盤加工精度不夠，致使重心不平衡、磨齒損壞等。

(3)不對中故障。主要包括動定盤的不對中以及電機與動盤聯(lián)軸器之間的不對中。聯(lián)軸器不對中是由于電機通過聯(lián)軸器帶動盤磨機動盤旋轉，當聯(lián)軸器出現(xiàn)不平衡時，電機拖動力矩不平衡，從而導致振動異常;動定盤的不對中則會誘發(fā)磨漿過程中受力不均衡，從而引起振動，如圖5所示。

(4)磨漿室有異物。若動定盤之間有硬物，由于動定盤之間的間隙很小，當有硬物夾在動定盤之間時，動盤與定盤的間接接觸會導致動盤受力不均勻，從而產生異常振動，并伴隨異常噪聲。

圖5 動定盤不對中

(5)螺旋送料故障。由盤磨機結構可知，在高速運轉過程中，磨漿室內充滿纖維，當出漿口出漿不順暢時，磨漿室內壓力不穩(wěn)定時，盤磨機的轉軸就會出現(xiàn)振動異常。

通過現(xiàn)場觀察，并與現(xiàn)場工程師的多次交流發(fā)現(xiàn)，盤磨機故障以轉子系統(tǒng)不平衡情況最多。下面通過振動力學方法，分析轉子不平衡情況下的振動特征頻率。

根據(jù)盤磨機結構建立盤磨機不平衡情況下的振動機理模型，如圖6所示。突變力的變化使得質心與旋轉中心不重合。偏心距離R指的是旋轉過程偏離轉盤質心的距離，轉軸的軸剛性強度為K，過程中的阻尼系數(shù)為Z，轉子運行過程中轉速為n(r/min)，轉子質量為M，則旋轉過程中產生的離心力:

其中，轉子的角速度頻率ω=2πn/60。

圖6 轉子系統(tǒng)

在運行過程中會產生兩個方向的力矩，一個是轉盤轉動過程中的向心力，另一個是與向心力垂直的力，其中與向心力垂直的力有纖維擠壓力等。

式中，F(xiàn)r為纖維擠壓力。實際上，因為盤磨機受周圍纖維擠壓，一般認為抵消掉了纖維擠壓力。

由于盤磨機的動盤慣性力加上軸向彈性力等于偏心的離心力，結合上述振動分析基礎知識可以得到振動方程為式 (4)。

式中，y為振動位移。對式 (4)進行歸一化處理得式 (5)。

式中，阻尼系數(shù)變?yōu)?

可以得到固有頻率為:

而由轉動頻率所導致的激振動頻率為轉速頻率［10，12］。

通過式 (6)對式 (5)進行解析得到式 (8)。

從式(8)中可以看出，為故障振動的振動頻率特征分量，Ysin(ωtψ)為穩(wěn)態(tài)解，是盤磨機轉動系統(tǒng)固有的受迫振動。

對Ysin(ωt－ψ)進行頻域變換得到式 (9)。

根據(jù)式 (9)可以得到:一種故障對應的振動頻率特征有多種。則是盤磨機不平衡故障的振動頻率特征分量。

2.2 盤磨機故障種類

通過上述分析和查閱許多文獻以及現(xiàn)場了解，總結出盤磨機的主要故障有動定盤不對中、磨片碰磨、磨齒損壞、主軸彎曲、聯(lián)軸器不對中、軸承損壞、軸承與軸間隙過大、出漿口堵塞、進料不穩(wěn)定等9種，這些故障可以通過采集和分析盤磨機的機械振動、噪聲、溫度、主電機電流和潤滑液的成分等信號信息獲得。

式中，H(ω)為幅頻響應函數(shù)，表示振動幅度隨受迫振動頻率與自激振動頻率之間的比值關系;ψ(ω)為相頻響應函數(shù)，ω/ωn≈1出現(xiàn)節(jié)點。由式(6)～式(9)可知振動幅度與偏差向心距離、質量以及轉速剛度等都有關聯(lián)。而盤磨機動盤轉動過程中，由于磨齒損壞程度不一，致使轉子質量不同，磨齒損壞位置不同導致偏心距離不同，轉軸彎曲程度不同以及軸承與軸間隙過大引起偏心距離不同。這些都會使受迫振動頻率的故障頻率有所不同。這也從側面說明

3 實際數(shù)據(jù)分析

以浙江某造紙廠的盤磨機軸承實際振動檢測數(shù)據(jù)所作的頻域功率譜圖如圖7所示，采樣頻率1200 Hz。采用的傳感器為振動位移傳感器，采樣方向為盤磨機軸承座的徑向。檢修前盤磨機系統(tǒng)已經出現(xiàn)磨漿質量不好和振動加劇的現(xiàn)象。

圖7 傅里葉頻譜對比圖

由圖7中的對比可以看出，檢修后，由于通過設備的維護與調試檢修，盤磨機在良好狀態(tài)下運行;此時盤磨機存在的故障特征最少，從圖7(a)可以看出其頻率分量主要集中在低頻段，而且在200 Hz以后的頻率分量非常小，振動能量主要集中在低頻部分。設備檢修前，所測數(shù)據(jù)頻譜分析數(shù)據(jù)顯示在200～400 Hz之間，都存在較大的頻率分量，而且設備振動信號主要集中在200 Hz后的高頻部分，200 Hz以下主要集中在100 Hz左右，也就是兩倍供電電源頻率以及一倍供電頻率的50 Hz處左右。這里，為了更為細致地看出頻率功率分布情況，對頻率譜進行小波包分解，采用DB5小波包進行三層小波包分解，所得結果如圖8和圖9所示。由圖8可以看出，檢修后正常的盤磨機振動信號主要分布在低頻部分，也就是說振動信號頻域分解的低頻部分多，而高頻部分相對較少。但是從圖9中可以看出，小波分析更為細致，在小波包的高頻段將信號分解出頻率在180、200、300、320、410、480 Hz左右都存在信號分量。仿真結果表明，振動信號的小波包分析技術較傳統(tǒng)的傅里葉變換更能完整地分離出表征故障的頻率特征分量。

圖8 正常信號小波包分解頻譜圖

圖9 故障信號小波包分解頻譜圖

由圖8和圖9中P132與P232的對比可以看出，主要的奇異頻率分布在220、235、286 Hz 3個頻率分量左右;由P236與P136的對比可以看出，奇異頻率分布在220、236、286、302 Hz 4個奇異點上。綜合上述可以看出:檢修前盤磨機存在的故障特征頻率在220、236、286、302 Hz的4個分量。

從振動信號小波包能量熵分布圖 (見圖10)可以看出，檢修后正常的盤磨機振動數(shù)據(jù)都集中在低頻部分，而出現(xiàn)故障的盤磨機振動信號在第三和第七頻段存在著較大的奇異特征，所以通過盤磨機的振動頻域分解可以凸顯出盤磨機的故障特征。

圖10 小波包能量熵分布對比圖

4 結論

隨著使用時間的增加，盤磨機在運行過程中或多或少都會存在故障或隱含故障的狀態(tài)。結合盤磨機結構與運行過程，得出盤磨機異常振動主要原因有轉子系統(tǒng)不平衡、動定盤不對中、電機與動盤聯(lián)軸器之間的不對中、軸承損壞、軸承與轉軸間隙過大、出漿口堵塞、進料不穩(wěn)定等。通過力學分析與振動方程，得到盤磨機最常見故障轉子系統(tǒng)不平衡情況下的振動頻率特征為:

通過對盤磨機振動信號的頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)盤磨機出現(xiàn)故障，但是無法更為細致地凸顯振動特征頻率。而基于小波包分解技術的振動信號分析能夠有效地找到表征盤磨機的轉子系統(tǒng)不平衡、軸承故障、電機與轉軸不對中等故障的頻域特征以及隱含故障的特征，在盤磨機故障診斷中有一定的借鑒意義。

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