低速重載軋機齒輪箱HD高清故障診斷方法應(yīng)用研究

左家信,胡立新

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 無錫 214429）

低速重載軋機齒輪箱HD高清故障診斷方法應(yīng)用研究

左家信,胡立新

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 無錫 214429）

本文介紹了常規(guī)診斷方式的局限性和高清診斷方法的特點，從技術(shù)上和應(yīng)用方面全面闡述低速重載齒輪箱診斷的要點。

振動；加速度；低頻；HD高清分析方法

隨著企業(yè)生產(chǎn)中機械設(shè)備控制和結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，自動化、智能化水平越來越高，設(shè)備可靠運行是企業(yè)的迫切需要。通過對機械設(shè)備實施現(xiàn)代的在線監(jiān)測，對設(shè)備的故障發(fā)展進行早期診斷，預(yù)知故障發(fā)生趨勢，找出故障發(fā)生的原因，采取適當、有效的措施進行維修保養(yǎng)，避免設(shè)備的突然停機，確保設(shè)備安全經(jīng)濟地運轉(zhuǎn)。

1 軋機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)存在的問題

冶金企業(yè)普遍采用振動測試技術(shù)來分析軋機齒輪箱的故障，并且在一些軋機齒輪箱上進行應(yīng)用。但是，通過大量的數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，能取得較好效果的，基本轉(zhuǎn)速在50轉(zhuǎn)/分鐘以上的齒輪箱。查看大量的振動技術(shù)資料，并結(jié)合生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)：（1）一般對于低頻振動測量，最常用的方法是測量振動加速度，加速度值會隨轉(zhuǎn)頻的減少而減小。（2）設(shè)備轉(zhuǎn)速低，設(shè)備上振動表現(xiàn)為低頻信號比較突出，而低頻振動信號分析受到測量儀器的能力限制，低轉(zhuǎn)速會導致故障振動信號頻率也會很低，而傳感器的高通濾波器會將1HZ或者2Hz以下的頻率信號當作噪聲過濾掉，再加上受到環(huán)境噪聲的影響，使得振動分析效果變得很差。雖然一些儀器生產(chǎn)廠家號稱自己公司有超低頻的振動傳感器，但是實際使用中其穩(wěn)定性和可靠性比較差，測量和分析結(jié)果往往不能被客戶接受。（3）沖擊性工況的瞬態(tài)性問題，每次沖擊的時間較短，比如軋機咬鋼時，鋼坯對軋輥造成巨大的沖擊，這個沖擊造成傳感器產(chǎn)生較大的影響，在頻譜上產(chǎn)生大量莫名其妙的沖擊信號，給分析故障增加了難度。（4）由于軸承故障點產(chǎn)生的沖擊能量小，響應(yīng)頻率低，激起不來高的頻率成分。

對于大于50r/min以上設(shè)備采用振動測量時，由于振動相對具有較大的能量，并且短周期，應(yīng)用振動分析可以相對比較容易進行故障診斷；對于低于50r/ min的設(shè)備來說，由于振動能量小而且周期長，因而診斷故障也會很困難。長期以來對低頻乃至超低頻信號 (≤1Hz)是許多國內(nèi)外測量分析儀器的難點。為了捕捉振動信不失真號，必須采樣時間較長。采樣線數(shù)不能太低，頻寬也不能太低，如此多的線數(shù)，寬的采樣頻寬，長的采樣時間，對檢測設(shè)備信號處理能力，數(shù)據(jù)存儲等方面要求非常高，結(jié)果形成較高的造價，還可能不被客戶認可。

軋機齒輪箱屬于低速重載設(shè)備，齒輪箱上的滾動軸承隱患的特征頻率能量極低，一般在振動頻譜圖的最左端，而且振動幅值很低，很容易被忽視；更由于系統(tǒng)本身振動噪聲的緣故，將有隱患零部件的特征頻率淹沒掉。傳統(tǒng)的頻譜分析、細化譜以及倒頻譜技術(shù)等對于低頻的信號分析處理能力也沒有作用。

2 軋機齒輪箱高清分析狀態(tài)監(jiān)測法

2.1 低速重載軋機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的重要性

振動測試能準確掌握設(shè)備的實際運行狀態(tài)，保證設(shè)備健康穩(wěn)定運行在正常范圍之內(nèi)。通過對設(shè)備進行連續(xù)的在線測試，可以隨時隨地了解設(shè)備的實際運行狀態(tài)。同時發(fā)現(xiàn)異常情況后，及時提醒相關(guān)人員采取補救措施；可準確描述設(shè)備的當前狀態(tài)或?qū)戆l(fā)展趨勢，為設(shè)備的日常維修和大修提供可靠的依據(jù)，從而避免不必要的過渡修理或者過剩修理；并且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)知性維修。通過周期性測試，及時、準確地掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，對出現(xiàn)的故障及其發(fā)展趨勢作出預(yù)報，為實現(xiàn)預(yù)知性維修提供可靠的技術(shù)保障。

2.2 軋機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的步驟

對齒輪箱和軸承進行監(jiān)測和故障診斷時，要先選用適當?shù)膫鞲衅?，這里推薦使用沖擊脈沖傳感器，將傳感器安裝在合適的測點位置。由于傳感器發(fā)生共振，將測得微弱信號進行共振放大，放大信號再接入信號調(diào)理器進行濾波、降噪等預(yù)處理。從信號調(diào)理器出來的信號是模擬信號，計算機是無法的識別的，因此振動信號還要接入模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，即A／D卡，進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字信號。最后利用計算機對數(shù)字信號進行時域、頻域的分析，從而成功的實現(xiàn)對齒輪和軸承的振動測試。

2.3 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的實施方案

通過多年的對比試驗和研究，最新的高清分析法是解決低速重載設(shè)備問題最有效的方法之一。高清分析法是瑞典SPM公司建立在多年現(xiàn)場實踐基礎(chǔ)之上，根據(jù)低速重載設(shè)備工作特點、實際工作環(huán)境的復(fù)雜狀況開發(fā)出來的。所謂高清分析法就是測試的技術(shù)參數(shù)不是通用的振動，而是高清的振動+高清的沖擊脈沖+高清的轉(zhuǎn)速聯(lián)合測試，比通用振動測試效果要好很多，具體表現(xiàn)如下：（1）測試齒輪箱結(jié)構(gòu)上的滾動軸承故障信號中不會帶入齒輪類的沖擊信號，避免了齒輪超強的信號把軸承故障信號淹沒。（2）測試齒輪箱結(jié)構(gòu)，齒輪故障信號中不會帶入軸承故障的沖擊信號，避免了是否由于軸承故障引起的擔憂。（3）變速變載條件下，對信號的捕捉和取舍很關(guān)鍵，通過專利的高清轉(zhuǎn)頻追蹤技術(shù)，可以很好的將轉(zhuǎn)速的變化和信號緊密結(jié)合起來，保證信號分析準確性。

3 高清SPM HD監(jiān)測技術(shù)介紹

振動監(jiān)測是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測最基礎(chǔ)最重要的組成部分，能夠監(jiān)測振動量值的大小和引起振動的原因，如：動平衡、松動、聯(lián)軸器對中、共振等；也能通過共振解調(diào)（包絡(luò)）技術(shù)對滾動軸承做診斷。但對于低速設(shè)備通過診斷傳感器所做的共振解調(diào)（包絡(luò)）對滾動軸承做診斷是沒有把握的，除了不能對軸承故障的嚴重程度、潤滑狀態(tài)做出判斷之外，還經(jīng)常會誤診、漏診，這是由振動傳感器的技術(shù)特性缺陷所決定了的。如果想對低速設(shè)備的滾動軸承做出精確無誤的診斷，必須采用SPM 的沖擊脈沖技術(shù)及SPM HD技術(shù)。

高清的SPM HD技術(shù)有著無比的優(yōu)越性，它不但具有先進的智能化和人性化的監(jiān)測與分析，還包括有滾動軸承的精確診斷與分析技術(shù)。SPM 的滾動軸承監(jiān)測技術(shù)得到全世界高度認可，許多設(shè)備制造商采用SPM的沖擊脈沖軸承監(jiān)測技術(shù)對其產(chǎn)品進行檢測，并把沖擊脈沖監(jiān)測方法融入到了產(chǎn)品設(shè)計之中，出廠的產(chǎn)品中均安裝有沖擊脈沖測試適配器、沖擊脈沖傳感器或SPM在線監(jiān)測系統(tǒng)。

SPMHD 沖擊脈沖軸承監(jiān)測技術(shù)突破了轉(zhuǎn)速極限，能測量貫穿1～20000r/min 轉(zhuǎn)速范圍的軸承狀態(tài)；SPMHD能夠?qū)⑵谕@得的軸承信號從復(fù)雜的背景噪聲中區(qū)分出來，經(jīng)提取和增強，從而得到一個清晰的的軸承狀態(tài)信息。采用SPMHD 測量，可獲得軸承狀態(tài)值HDm/HDc、HD 時域波形（SPM Time Signal HD）和HD 頻譜（SPM Spectrum HD）。

3.1 通過HDm/HDc 對軸承進行標準化評估

（1）HDm 是脈沖脈沖最大值，反映軸承的損傷程度。（2）HDc 是沖擊脈沖地毯值（基本值），反映軸承潤滑狀態(tài)。（3）好軸承： HDm 在綠色區(qū)域，其值小于或等于20。（4）軸承早期故障：HDm 在黃色區(qū)域，其值在21～35 之間，HDm 和HDc 間有較大的差值。（5）壞軸承：HDm 在紅色區(qū)域，其值等于或大于35，HDm 和HDc 間有較大的差值。（6）潤滑不良： HDc 接近于或大于20， HDm 和HDc 間的差值很小。（7）過剩潤滑：HDc 為負值。

3.2 用HD 時域波形（SPM Time Signal HD）

分析軸承故障根源，通過這樣的時域信號，即使不知道軸承的型號，也能對軸承做出分析，因為軸承每個部件均有其各自不同的時域特征。如圖1所示波形，便知是軸承內(nèi)圈故障；圖2所示波形，應(yīng)為軸承外圈故障。

圖1

圖2

3.3 通過HD 頻譜（SPM Spectrum HD）精確診斷軸承故障

如果知道軸承型號和轉(zhuǎn)速，則可以通過沖擊脈沖高清頻譜（HD 頻譜）精確診斷軸承故障。圖3為通過HDm/HDc 趨勢進行評判的案例，圖4～6為軸承故障診斷案例。

圖3

圖4 軸承內(nèi)圈損傷

圖5 軸承外圈損傷（洗漿機）

由此可見，采用SPMHD 軸承監(jiān)測技術(shù)，軸承的全壽命狀態(tài)都將清晰地展現(xiàn)出來，包括：損傷程度、潤滑、損傷部位等，還能夠?qū)崿F(xiàn)軸承故障預(yù)警期平均能達6個月以上。因此，SPMHD 技術(shù)是非常有效和可靠的。

4 高清齒輪診斷技術(shù)介紹——齒輪圓坐標診斷

在進行頻譜分析時域波形分析時，接觸到的都是直角坐標系表現(xiàn)出來的圖形?，F(xiàn)在改變一下坐標系，在采樣時，采用轉(zhuǎn)速傳感器來進行采集相位界定。設(shè)備每轉(zhuǎn)一圈，采集一次完整信號，再轉(zhuǎn)一圈，再采集一次完整信號，這時，將一轉(zhuǎn)時間和對應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度聯(lián)系起來，形成一一對應(yīng)關(guān)系，這樣就可以將直角坐標圖形轉(zhuǎn)變?yōu)閳A坐標圖形。

下面右側(cè)圓坐標圖（圖6a），發(fā)現(xiàn)測試三個方向（水平、垂直、軸向）測試的圓坐標圖形狀基本一樣，可以清晰發(fā)現(xiàn)有五個較大沖擊信號，五個較小沖擊信號。說明該齒輪存在五處大的磨損，五處小的磨損。解體發(fā)現(xiàn)驗證無疑。從圖6b的圓坐標圖上，很快會發(fā)現(xiàn)齒輪存在偏心故障。

圖6

TH165+.3

A

1671-0711（2017）07（上）-0097-03