基于EIS傳感器的精軋機(jī)軋輥箱密封狀態(tài)在線監(jiān)控系統(tǒng)研究

張國新，劉 健，嚴(yán)思保，張 峰

（1.馬鞍山馬鋼華陽設(shè)備診斷有限公司,安徽馬鞍山 243000;2.深圳市先波科技有限公司,廣東深圳518057）

1 概述

高速線材精軋機(jī)經(jīng)常會(huì)發(fā)生因軋輥箱雙唇密封失效進(jìn)水，污染潤滑油，燒壞機(jī)架的故障。由于沒有手段動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)密封是否損壞，無法判斷哪個(gè)機(jī)架進(jìn)水以及何時(shí)進(jìn)水，目前采用定期更換軋輥箱密封來避免精軋機(jī)組進(jìn)水，不僅造成巨大的浪費(fèi)，也解決不了生產(chǎn)過程中密封損壞而導(dǎo)致精軋機(jī)進(jìn)水問題[1]。

精軋機(jī)軋輥箱采用潤滑泵站系統(tǒng)集中供油，潤滑油流經(jīng)每一架軋機(jī)的油膜軸承后通過機(jī)架的回油管流回油箱[2-3]。生產(chǎn)中，由于堆鋼事故、高溫紅鋼長時(shí)間烘烤致使密封老化，或裝配不良等都會(huì)造成軋輥箱雙唇密封損壞。雙唇密封損壞后，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成油品含水超標(biāo)。通過分析線材高速軋機(jī)潤滑系統(tǒng)大量進(jìn)水后潤滑油性能產(chǎn)生的變化，潤滑油引起軸承失效原因的分析得出以下結(jié)論：當(dāng)含水量超過0.5%，軸承產(chǎn)生失效的機(jī)率大增；如果含水量超過1%，極有可能在短時(shí)間內(nèi)（小于2.5 h）產(chǎn)生滾動(dòng)軸承失效[4]。顯然在正常生產(chǎn)中靠人工巡檢發(fā)現(xiàn)密封失效是不現(xiàn)實(shí)的。本文基于電化學(xué)阻抗譜（EIS）傳感器設(shè)計(jì)了一種精軋機(jī)軋輥箱雙唇密封狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤滑油中含水量的變化趨勢(shì)并發(fā)出預(yù)警及時(shí)發(fā)現(xiàn)軋輥箱密封問題。通過在馬鋼高速線材生產(chǎn)線應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)精軋機(jī)軋輥箱潤滑油含水量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軋輥箱的雙唇密封損壞問題。

2 傳感器檢測(cè)含水率的原理

常用的在線監(jiān)測(cè)油品含水的主要方法有電容法和微波衰減法。電容法根據(jù)傳感器探頭的測(cè)量原理分為阻抗測(cè)量法和射頻電容法[5]。通過對(duì)比分析各種測(cè)試原理，我們建立了精軋機(jī)軋輥箱密封狀態(tài)在線監(jiān)控系統(tǒng)，基于電阻抗法設(shè)計(jì)了新型傳感器。其原理是基于被測(cè)電介質(zhì)介電常數(shù)的變化可以轉(zhuǎn)化為電容量變化的這一特點(diǎn)，通過電容傳感器測(cè)試電容變化，間接測(cè)量出介電常數(shù)的變化，進(jìn)而反映出油液含水量，用來判斷密封狀態(tài)[6]。

電容傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電容傳感器基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)忽略電容器邊緣效應(yīng)時(shí)，電容量為：

式中

ε—電容兩極板間的介電常數(shù)；

ε0—真空介電常數(shù)（8.854187817×10-12F/m）；

εr—相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)于空氣介質(zhì)，εr≈1.000585；

S—極板間相互覆蓋面（m2）；

d—極板間距離（m）;

可見，保持S、d不變，可以通過檢測(cè)電容量C變化反映出介電常數(shù)ε變化。

含水的油液可近似看作是純水和純油的混合物，純水和純油的介電常數(shù)具有顯著的區(qū)別，其中常溫下純水的介電常數(shù)大約為78.36 F/m，純油的介電常數(shù)為2.3 F/m左右，其有效介電常數(shù)可表示為：

式中

εr—混入水分的油液的介電常數(shù)；

D—水的百分率；

ε1—純水的介電常數(shù)；

ε2—純油的介電常數(shù)；

當(dāng)含水率分別為0.125%、0.25%、0.5%、1%時(shí)，代入公式（2）,結(jié)果見表1所示。

表1 不同含水率情況下所對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)比值

通過上述分析可知，利用相關(guān)傳感器檢測(cè)出εr的數(shù)值便可以計(jì)算出水的百分率D。

3 EIS傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

由于介電常數(shù)的測(cè)量受溫度、環(huán)境和在線監(jiān)測(cè)工況等因素的影響，這也是目前阻礙在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的大障礙。為了解決溫度補(bǔ)償和油液取樣誤差等問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了柱塞式電容傳感器，如圖2所示。

圖2 柱塞式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器探頭由三個(gè)電極構(gòu)成，即內(nèi)電極2、中間電極5 和外電極7，外電極和內(nèi)電極均為筒狀結(jié)構(gòu)，其中外電極前端設(shè)置有開口，圓周方向設(shè)置有導(dǎo)流孔6，中間電極前端設(shè)置有注油孔并配置注油孔塞4，在兩電機(jī)之間便可以形成開放空腔。當(dāng)被測(cè)油液流過空腔時(shí)便構(gòu)成一電容器，用于測(cè)量油液的介電常數(shù)，通過注油孔提前注入對(duì)比油液后，中間電極和內(nèi)電極便構(gòu)成對(duì)比電容器[7]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況選擇合適的安裝位置，確保將傳感器探頭完全浸沒于被測(cè)油液中，這樣傳感器中的被測(cè)油液與對(duì)比油液始終處于相同溫度和相同工況中，因此解決了溫度、環(huán)境和在線監(jiān)測(cè)工況等因素的影響，不需要額外的溫度補(bǔ)償和其他因素補(bǔ)償，便可在線監(jiān)控在用油液的進(jìn)水情況，保證了傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確度。

根據(jù)含水油液介電常數(shù)的變化范圍，我們?cè)O(shè)計(jì)的傳感器內(nèi)部電容器的輸出電壓與介電常數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示[8]。

圖3 電容傳感器輸出電壓與介電常數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 檢測(cè)系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)

4.1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精軋機(jī)軋輥箱密封狀態(tài)在線監(jiān)控包括11 個(gè)潤滑監(jiān)控模塊，其中10 個(gè)用于監(jiān)測(cè)精軋機(jī)潤滑支路，每臺(tái)精軋機(jī)回油管路上各安裝一個(gè)傳感器，主油箱上安裝1個(gè)傳感器，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)潤滑監(jiān)控模塊示意圖

潤滑監(jiān)控模塊包括電容傳感器探頭電極,信號(hào)處理電路和采集控制變送電路。電容傳感器探頭電極安裝于軋機(jī)潤滑支路并浸入被測(cè)油液，該電容傳感器探頭電極與電容傳感器處理電路相連，處理電路輸出信號(hào)通過采集控制變送電路傳輸?shù)轿⑻幚砥骷皵?shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)裝置，系統(tǒng)接線圖如圖5 所示。

圖5 在線監(jiān)控系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)采用的是單點(diǎn)采集、集中傳輸?shù)姆桨?，每個(gè)采集單元采集一路傳感器電壓信號(hào)，同時(shí)給傳感器供應(yīng)DC5V/20mA的電源，各個(gè)采集單元之間互相隔離，以便在單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)漏水或者油箱含水超限時(shí)發(fā)出報(bào)警[9]。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)控要求將傳感器的安裝位置選擇在每臺(tái)軋機(jī)的回油管線上和共用油箱內(nèi)，如圖6所示。

傳感器安裝在合適的位置非常重要，其能夠最小程度地減少探頭周圍空氣的滯留。如果在傳感器探頭周圍有氣泡或者氣穴生成，在測(cè)試時(shí)檢測(cè)到的將是氣體和油液混合后的特性。實(shí)際應(yīng)用中，傳感器探頭最好能夠一直與穩(wěn)定、持續(xù)流動(dòng)的油液接觸，從而最大程度地真實(shí)反映出油液狀態(tài)。

圖6 在線電阻抗（EIS）含水率傳感器安裝位置示意圖

為了減小探頭周圍氣泡及油液流動(dòng)狀態(tài)對(duì)測(cè)試精度的影響，同時(shí)要求傳感器不阻礙油液的流動(dòng)，我們對(duì)回油管道和油箱進(jìn)行了改造。

將安裝好柱塞式電容傳感器的三通管道作為一個(gè)整體加裝到精軋機(jī)的回油管道上，這樣當(dāng)回油管道內(nèi)油液處于非充滿狀態(tài)，也能保證傳感器探頭完全浸沒于被測(cè)油液中，保證了傳感器檢測(cè)準(zhǔn)確，如圖7所示。

圖7 回油管道上傳感器安裝位置設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

根據(jù)油箱的特殊結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，使用探桿將傳感器探頭通過油箱頂部氣孔深入油液底部，如圖8所示。

圖8 油箱上傳感器安裝設(shè)計(jì)圖

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

將該系統(tǒng)應(yīng)用于馬鋼長材事業(yè)部（北區(qū)）高速線材精軋機(jī)組，主監(jiān)控界面如圖9所示。

根據(jù)前期計(jì)算和試驗(yàn)，將傳感器采樣周期設(shè)定為60 s，當(dāng)采樣周期前后含水率變化大于0.5%時(shí)，認(rèn)定為密封已經(jīng)損壞，并設(shè)定報(bào)警上限值為3%。

圖9 馬鋼高線精軋機(jī)含水率在線監(jiān)控系統(tǒng)主界面

在線監(jiān)控系統(tǒng)投入使用后，監(jiān)測(cè)到24#精軋機(jī)軋輥箱雙唇密封損壞的過程，含水率變化曲線如圖10所示。

圖10 回油管道潤滑油含水率監(jiān)控曲線

圖10顯示密封損壞之前，大部分時(shí)間含水率變化趨勢(shì)穩(wěn)定，僅有輕微波動(dòng)，總體小于0.15%；后期在短時(shí)間內(nèi)上升到1%左右，然后持續(xù)了20 min 又上升到2%左右，之后快速增大超過3%報(bào)警上限值。說明精軋機(jī)雙唇密封一開始出現(xiàn)了輕微損壞，隨著生產(chǎn)的繼續(xù)損壞不斷加劇，造成漏水加大，含水率快速上升的情況。

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)在線監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警情況立即停機(jī)更換軋輥箱，解體檢查更換下來的軋輥箱，發(fā)現(xiàn)雙唇密封已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，證明了在線監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)軋輥箱雙唇密封狀態(tài)是有效的。

6 結(jié)論

基于潤滑系統(tǒng)進(jìn)水后潤滑油性能會(huì)產(chǎn)生變化的原理，設(shè)計(jì)一種電化學(xué)阻抗譜傳感器檢測(cè)出潤滑油中混入水量的數(shù)值，建立精軋機(jī)軋輥箱密封狀態(tài)在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)潤滑油中含水量的變化趨勢(shì)并通過預(yù)警提示檢修人員及時(shí)更換報(bào)警顯示的軋輥箱的雙唇密封，解決了無法及時(shí)判斷軋輥箱雙唇密封失效的問題。

通過在馬鋼高速線材生產(chǎn)線應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)出精軋機(jī)軋輥箱進(jìn)水情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軋輥箱的雙唇密封損壞問題。在提高設(shè)備精益管理，提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力方面具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值，