無線低速重載振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

張靖偉，黃 飛

（寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司煉鐵廠，湖北鄂州 436000）

0 引言

高爐是煉鐵廠的核心設(shè)備，而爐頂氣密箱是罐式爐頂?shù)男呐K設(shè)備，其布料方式靈活，布料器齒輪箱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，其回轉(zhuǎn)支承、軸承、齒輪和螺栓等又是易發(fā)生故障的關(guān)鍵部件，圖1 是大型回轉(zhuǎn)支承卡死故障，造成高爐休風(fēng)停產(chǎn)數(shù)天，因此，必須采用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)，防患于未然。

進(jìn)入鋼鐵企業(yè)智能制造時(shí)代后，為了降低在爐頂煤氣環(huán)境下人工檢測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的掌握氣密箱傳動(dòng)鏈運(yùn)行狀況，決定投運(yùn)無線振動(dòng)溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)主要硬件及功能

1.1 無線振動(dòng)傳感器進(jìn)行信號(hào)采集

抗干擾能力強(qiáng)的無線振動(dòng)溫度復(fù)合傳感器（圖2）具有如下特點(diǎn)：

（1）無須在現(xiàn)場(chǎng)鋪敷連接傳感器的電源和信號(hào)纜線，降低了成本。

（2）自備電池給傳感器供電，避免了傳感器供電電源線路的干擾。

圖1 某爐頂氣密箱回轉(zhuǎn)支承嚴(yán)重?fù)p毀

（3）傳感器的內(nèi)部電路與傳感器外殼完全隔離，數(shù)據(jù)采集部分內(nèi)裝在傳感器殼體里，輸出數(shù)字信號(hào)，而數(shù)字信號(hào)傳輸過程中不會(huì)變化。

（4）藍(lán)牙（Bluetooth）通信在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)候有數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳送給無線采集路由器。

1.2 無線采集路由器

圖3 的路由器有藍(lán)牙無線通信接口，它不僅可與無線傳感器通信，也可連接其他使用藍(lán)牙接口的物聯(lián)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更多維度的設(shè)備狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)。該路由器的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口和Wi-Fi接口使其具備較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力，能夠通過3G/4G 或Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上。此外，該路由器還可以就地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（包括原始波形數(shù)據(jù)、FFT 頻譜等），具有完善的就地分析工具，包括柱狀圖、波形圖、多種特征值等，具備完整的頻譜分析能力。無線采集路由器周期性地接收振動(dòng)傳感器采集的信號(hào)，通過局域網(wǎng)或4G SIM 卡，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器?；诎沧科脚_(tái)，內(nèi)置現(xiàn)場(chǎng)通信采集管理APP，具備自動(dòng)采集和現(xiàn)場(chǎng)分析功能。

圖2 無線振動(dòng)溫度復(fù)合傳感器

以上硬件裝置保證了系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程分析和報(bào)警功能。

1.3 應(yīng)用實(shí)例

無線振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2020 年5月投入使用，隨即對(duì)高爐爐頂氣密箱采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，2020 年6 月3 日18：25：33 上部齒輪箱振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖如圖4 所示。

圖3 無線采集路由器

出現(xiàn)25.39 Hz 及其諧波50.78 Hz，還有950.2 Hz、975.59 Hz，這是旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈I 軸的松動(dòng)特征；出現(xiàn)228.52 Hz，這 是22209CC 的滾動(dòng)體過內(nèi)圈頻率Fi，這表明旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈I 軸的22209CC 軸承磨損，由于軸承內(nèi)圈磨損，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈I 軸晃動(dòng)。

據(jù)此，廠里加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)，并提前做好檢修和備件等準(zhǔn)備。

2 一種低速重載設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷方法

高爐爐頂氣密箱屬于低速重載設(shè)備，其特點(diǎn)是：承載量大、工作轉(zhuǎn)速低、運(yùn)行中承受較大的沖擊載荷，早期故障信息特征微弱，環(huán)境噪聲大，其中部分設(shè)備旋轉(zhuǎn)周期不完全、運(yùn)行工況呈典型的間歇性。該類設(shè)備一旦突發(fā)故障，將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。

低速重載設(shè)備的常見故障有：齒輪齒面磨損、點(diǎn)蝕、剝落、齒面鱗皺、輪齒燒結(jié)；斷齒故障；回轉(zhuǎn)支承零部件點(diǎn)蝕、滾動(dòng)體破碎、保持架斷裂；滾動(dòng)軸承零部件磨損、點(diǎn)蝕、滾動(dòng)體破碎和內(nèi)外圈斷裂等；齒輪箱螺栓拉斷、螺栓松動(dòng)等。

圖4 上部齒輪箱振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖

低速設(shè)備監(jiān)測(cè)主要困難有3 個(gè)：①低速設(shè)備故障特征難提取。由于低速設(shè)備本身的特點(diǎn)，其零部件隱患從開始發(fā)展到故障會(huì)有較長的時(shí)間。但是在突發(fā)故障前的最后幾天，從微微有些感覺機(jī)器異常到突發(fā)故障往往只有幾天，這種五官感覺如果沒有專用儀器做支撐，現(xiàn)場(chǎng)人員幾乎無法準(zhǔn)確判斷并作出停機(jī)的決定，這種情況類似于人類的猝死；②低速重載機(jī)器在設(shè)計(jì)時(shí)，通常安全裕度大，使機(jī)器不易損壞，所以，故障次數(shù)較少；③由于前兩個(gè)原因，造成故障數(shù)據(jù)少。這使得現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)診斷人員普遍畏懼低速設(shè)備檢測(cè)診斷。

為了解決以上困難，廠里采取長期與專業(yè)團(tuán)隊(duì)長期合作的方式，積累故障數(shù)據(jù)，積極尋找低速重載設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷方法?？偨Y(jié)了一套高爐爐頂齒輪箱振動(dòng)信號(hào)“間接診斷法”，即：下級(jí)傳動(dòng)鏈低速零部件故障會(huì)引起上級(jí)傳動(dòng)鏈高速零部件傳動(dòng)不穩(wěn)定，在上部齒輪箱高速部分測(cè)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)中也會(huì)出現(xiàn)低速零部件故障特征頻率。簡單的描述就是：大型回轉(zhuǎn)支承或傾動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)，在II 軸的兩個(gè)齒輪嚙合頻率上通常會(huì)反映出來。

2014 年7 月29 日，廠里對(duì)5 號(hào)、6 號(hào)高爐氣密箱用離線儀器做了第一次測(cè)試；事隔一年后，在2015 年8 月7 日做了第二次測(cè)試；并在2016 年9 月2 日做了第三次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)5 號(hào)高爐振動(dòng)頻譜圖出現(xiàn)133.85 Hz，并且18.5 Hz 處存在諧波時(shí)的幅值比前兩次上升了10 多倍。由“間接診斷法”可知：吊掛大齒圈嚙合不好，回轉(zhuǎn)支承有故障隱患，并且隱患逐漸嚴(yán)重，及時(shí)檢修排除隱患后設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 結(jié)束語

以上實(shí)例說明，振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷可以有效保障高爐氣密箱正常運(yùn)行，是煉鐵廠實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維的措施之一。

（1）性價(jià)比高的無線振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是保證數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)。

（2）“間接診斷法”可以較為方便地判斷低速重載設(shè)備故障隱患。

（3）堅(jiān)持對(duì)鐵廠氣密箱等大型關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)診斷可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)維修。