設(shè)備診斷技術(shù)在冶金行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展

北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院北京市先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室 高立新

筆者從冶金企業(yè)成功案例、主要監(jiān)測診斷技術(shù)、企業(yè)管理層和執(zhí)行層在實施過程中容易發(fā)生的問題及對策、未來發(fā)展這幾個方面闡述了設(shè)備診斷技術(shù)在冶金行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展。

冶金企業(yè)的主要關(guān)鍵設(shè)備有焦化和燒結(jié)廠風(fēng)機(jī)，煉鐵廠高爐鼓風(fēng)機(jī)，爐頂齒輪箱，高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置和皮帶運料機(jī)，煉鋼耳軸傾動機(jī)構(gòu)和大包回轉(zhuǎn)臺，高線、棒材和熱軋廠粗精軋機(jī)組，冷連軋和硅鋼機(jī)組，一些重要的電機(jī)、風(fēng)機(jī)、齒輪箱、大型起重機(jī)、泵以及某些企業(yè)的礦山排巖機(jī)、大型挖掘機(jī)、港口門式起重機(jī)和發(fā)電機(jī)組等也至關(guān)重要。

一、國內(nèi)冶金企業(yè)設(shè)備診斷成功案例

1999年1月，發(fā)現(xiàn)高爐爐頂齒輪箱螺栓拉斷；2000年，判斷高線精軋機(jī)錐軸和輥軸零部件損壞；2006年2月，發(fā)現(xiàn)棒材廠16號軋機(jī)減速機(jī)錐箱軸承故障；2007年11月，判斷某大型鐵礦排巖車間破碎機(jī)回轉(zhuǎn)體隱患；2008年4月，發(fā)現(xiàn)冷連軋機(jī)五機(jī)架第五架傳動軸故障；2009年11月，發(fā)現(xiàn)高線減定徑機(jī)30架錐箱輸出軸軸系故障；2010年，發(fā)現(xiàn)煉鋼耳軸傾動機(jī)構(gòu)軸承早期磨損；2011年，發(fā)現(xiàn)高爐爐頂新齒輪箱回轉(zhuǎn)支承間隙小，影響運行。由上可見，設(shè)備診斷技術(shù)不僅可以預(yù)測故障隱患，在判斷設(shè)備制造裝配精度方面也可起到一定作用。

國內(nèi)冶金行業(yè)設(shè)備的診斷成功案例中，寶鋼可以追溯到1983年，部分設(shè)備在投產(chǎn)時就有診斷成功案例，此后每年均有各類成功案例，特別是在1996年開展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測診斷受控點工作后，每年均有數(shù)百項成功案例。武鋼自2002年開展基于設(shè)備診斷技術(shù)的“萬點受控”工程項目以來，已經(jīng)成功地在首鋼、河鋼等二十多個大中型企業(yè)推廣應(yīng)用，積累各種成功案例達(dá)200余個。

二、常用監(jiān)測診斷技術(shù)

冶金機(jī)械設(shè)備監(jiān)測診斷技術(shù)已形成以振動監(jiān)測診斷、油樣分析、電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測和無損探傷為主，其他技術(shù)為輔的格局。

（1）振動監(jiān)測診斷技術(shù)

冶金企業(yè)以旋轉(zhuǎn)機(jī)械為多，這類機(jī)械故障所激發(fā)的振動多為橫向振動，通常是由其核心部件軸部件故障引起，軸部件故障信號大多為周期信號，準(zhǔn)周期信號或平穩(wěn)隨機(jī)信號等。該類信號的分析方法目前最常用的是時域—頻域分析方法。時域波形是機(jī)械振動振幅的瞬態(tài)值隨時間延續(xù)而不斷變化所形成的動態(tài)圖像，時域信號分析的基本參數(shù)有峰值、均值、均方根值（有效值）、方差、方根幅值、平均幅值、偏度、峭度等。一般說來均方根值、方根幅值、平均值以及峭度均會隨著故障的發(fā)生和發(fā)展而增大。峭度、裕度因數(shù)和脈沖因數(shù)對于沖擊脈沖類的早期故障比較敏感，但隨著故障的逐漸發(fā)展，其值反而會下降，而均方根值的穩(wěn)定性較好，但對早期故障不明顯，故常將它們同時使用，以兼顧敏感性和穩(wěn)定性。在頻譜分析時，所關(guān)心的多是各種軸轉(zhuǎn)速的多倍頻率處以及轉(zhuǎn)速的非整數(shù)倍頻率處的峰值。通過分析頻譜中的軸速頻率的整倍數(shù)波峰可診斷如零部件不平衡、不對中、松動、軸彎曲和磨損等多種故障；不平衡、不對中這兩類故障給冶金設(shè)備帶來巨大損失，應(yīng)當(dāng)作為企業(yè)設(shè)備診斷的重點。

（2）應(yīng)力應(yīng)變檢測技術(shù)

機(jī)械設(shè)備發(fā)生失效并最終引發(fā)故障往往由其結(jié)構(gòu)的潛在局部損傷引起，結(jié)構(gòu)損傷從細(xì)小到擴(kuò)張再到最終破壞是一個逐漸發(fā)展演變的過程。由于應(yīng)變能使結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動響應(yīng)中小損傷信息得以“放大”，基于應(yīng)力應(yīng)變的檢測技術(shù)近年來引起關(guān)注并得到快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于冶金等領(lǐng)域。

（3）聲發(fā)射檢測技術(shù)

聲發(fā)射傳感器和振動傳感器核心部件都是壓電元件，聲發(fā)射檢測技術(shù)不僅可以利用材料受載以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象來探測和識別材料內(nèi)部產(chǎn)生損傷或結(jié)構(gòu)變化的情況，還可以用來檢測機(jī)械零部件外表點蝕或剝落情況。該技術(shù)作為一種無損檢測方法已被廣泛應(yīng)用于冶金、石油化工等眾多領(lǐng)域。由于其接收信號的頻率范圍寬（至少可達(dá)2～70kHz），靈敏度高，適用于探測結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)出的高頻應(yīng)力波信號，其高頻特性可有效避開周圍低頻的噪聲，對機(jī)械設(shè)備(尤其是低速重載設(shè)備)或大型構(gòu)件可提供整體或局部快速檢測，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患。

（4）磁記憶檢測技術(shù)

鐵磁學(xué)研究指出，磁彈性效應(yīng)是指當(dāng)彈性應(yīng)力作用于鐵磁材料時，鐵磁體不但會產(chǎn)生彈性形變，還會產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的形變，從而引起磁疇壁的位移，改變其自發(fā)磁化的方向。當(dāng)鐵制設(shè)備的某一部位在周期性負(fù)載和外部磁場的共同作用下，在該處會造成殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度的增長。

采用金屬磁記憶檢測技術(shù)能及時、準(zhǔn)確地找出部件可能導(dǎo)致?lián)p壞的最大應(yīng)力集中區(qū)域。檢測時不需要對被檢測對象進(jìn)行專門的磁化，檢測后也無需進(jìn)行退磁處理；不需要對金屬表面做專門的預(yù)處理，對表面有保護(hù)層的允許距離150mm進(jìn)行檢測；無需耦合劑；它能夠檢測到金屬疲勞損傷和瀕臨損傷的狀態(tài)，在應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)評價與設(shè)備強(qiáng)度及可靠性分析、壽命預(yù)測方面有獨到的能力。這方面的研究和應(yīng)用已初見成效。

（5）油液檢測技術(shù)

從潤滑油著手的設(shè)備故障診斷技術(shù)內(nèi)容包括：潤滑油物理化學(xué)指標(biāo)變化；潤滑油在機(jī)體內(nèi)生成沉積物檢測；油顆粒污染度檢測（磨損顆粒，泄漏介質(zhì)）等。

理化性能指標(biāo)主要是檢測潤滑油的酸值、水分、運動黏度、閃點等來檢測設(shè)備的潤滑狀態(tài)；應(yīng)用光譜儀、鐵譜儀、顆粒計數(shù)器等可對潤滑油中攜帶的磨粒的尺寸、顏色、形貌、濃度等指標(biāo)進(jìn)行檢測，以此來判斷設(shè)備磨損狀態(tài)和磨損部位。通過定期采集油液系統(tǒng)摩擦副之后、油濾裝置之前，油箱加油口、放油口，專用放油閥的油樣，并對所取油樣或油脂進(jìn)行分析來判斷是否需要換油和該設(shè)備是否存在故障隱患。

目前，油液分析技術(shù)更多地集中在多技術(shù)油液分析信息的融合故障診斷方法及油液分析信息與其他故障信息融合方法的研究上，而油液分析技術(shù)的智能診斷方法及在線檢測系統(tǒng)成為油液分析技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（6）油液測溫技術(shù)

齒輪箱和飛剪等設(shè)備的油溫過高會引起一系列問題。油溫變化引起潤滑油性能下降，包括黏度下降、加速老化變質(zhì)，并導(dǎo)致齒輪嚙合摩擦增大、磨損嚴(yán)重以及發(fā)生齒面膠合。而飛剪軸瓦溫升過高往往是軸與瓦摩擦所致。為了及時發(fā)現(xiàn)油溫變化，在易出故障部位安裝溫度傳感器并最好同時安裝振動傳感器，實時監(jiān)測油溫和振動變化，及時采取措施，避免故障發(fā)生。

（7）低速重載設(shè)備監(jiān)測診斷技術(shù)

煉鋼耳軸傾動機(jī)構(gòu)、高爐爐頂齒輪箱和粗軋機(jī)等低速重載設(shè)備的主要特點是工作轉(zhuǎn)速低且在運行中承受較大的沖擊載荷，背景噪聲大，早期故障特征難以提取，僅用振動方法很難準(zhǔn)確判斷早期故障隱患。上述檢測技術(shù)的結(jié)合可以有效識別低速重載設(shè)備的早期故障。

實踐證明，對于正常磨損的設(shè)備，在設(shè)備運行早期，對故障特征較為敏感的是油液、聲發(fā)射和磁記憶檢測技術(shù)；在設(shè)備運行中期，對故障特征較為敏感的是振動和噪聲檢測技術(shù)；在設(shè)備運行后期，電流和溫度監(jiān)測技術(shù)對故障情況也很有效，應(yīng)根據(jù)設(shè)備運行的不同階段，采用不同的檢測技術(shù)來排查設(shè)備故障隱患。

需要指出的是，多傳感器信息融合技術(shù)和小波分析等技術(shù)不僅適用于中高速設(shè)備故障診斷，對于低速重載設(shè)備故障也有一定的效果。

三、企業(yè)執(zhí)行層存在的問題及對策

（1）現(xiàn)場維護(hù)人員應(yīng)能看懂頻譜圖。先學(xué)會看基頻，再學(xué)會看諧波和邊頻，最后學(xué)會看頻率結(jié)構(gòu)。

（2）準(zhǔn)確出示診斷報告。設(shè)備維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)培訓(xùn)監(jiān)測診斷人員的國家標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過專業(yè)組織機(jī)構(gòu)培訓(xùn)，通過6～12個月的時間達(dá)到I級監(jiān)測診斷人員的水平，再用1～3年的時間達(dá)到Ⅱ級監(jiān)測診斷人員的水平，即可掌握做診斷報告的基本方法。

（3）分清故障發(fā)生的基本原因。在長期掌握監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從機(jī)械和電氣兩個方面分頭排查故障。

（4）全方位提高故障診斷準(zhǔn)確率。以軸承故障為例，其主要故障形式是磨損和疲勞剝落，服從“浴盆曲線”，班組人員通過趨勢圖并在時域和頻域圖中尋找等間隔成分，可以發(fā)現(xiàn)60%以上的故障隱患。對于冶煉和軋鋼的絕大多數(shù)機(jī)械設(shè)備，通過“感官檢測＋在線/離線監(jiān)測系統(tǒng)＋責(zé)任心”，可達(dá)到80%以上的診斷準(zhǔn)確率。企業(yè)設(shè)備維護(hù)人員、專業(yè)公司專業(yè)人員和專家三方會診，可以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率。

冶金設(shè)備故障的情況非常多，全面準(zhǔn)確診斷設(shè)備故障難度較大，只有生產(chǎn)和維護(hù)人員共同實施基于設(shè)備診斷技術(shù)的點檢才能最大限度地掌握設(shè)備狀態(tài)，再加上多種維修模式并存的設(shè)備維修體制，才能最大限度地降低設(shè)備故障。

（5）提取低頻微沖擊信息。國內(nèi)外均有振動儀器可以提取到0.1Hz的故障特征頻率，其中聲發(fā)射儀器效果也非常好，低頻微沖擊信息提取已經(jīng)有許多成功案例。

四、企業(yè)管理層存在的問題及對策

（1）認(rèn)為設(shè)備總是要壞的，監(jiān)測沒有用。2011年4月14日到4月22日，江南某高線廠精軋機(jī)檢修完畢，準(zhǔn)備在48h后投入運行，北京某高校診斷人員在檢修前的振動在線監(jiān)測系統(tǒng)頻譜圖上發(fā)現(xiàn)錐箱Z3/Z4齒輪嚙合頻率和邊頻，該邊頻與Ⅱ軸軸頻相等，即報告廠方，重新開箱檢查，發(fā)現(xiàn)Z3齒輪沿軸向出現(xiàn)穿透性裂紋，立即更換后避免了一起惡性事故。

（2）認(rèn)為設(shè)備一直沒出問題，降成本壓力大，不需要上監(jiān)測系統(tǒng)。某鋼廠用了6年的50t轉(zhuǎn)爐耳軸傾動機(jī)構(gòu)突發(fā)故障，停產(chǎn)196h，造成700萬以上的直接損失，遠(yuǎn)超過6年來降低的成本。實際上這種間歇性低速重載設(shè)備的隱患是可以通過狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)診斷出來的。

（3）認(rèn)為振動離線監(jiān)測可以取代在線監(jiān)測系統(tǒng)。在低端產(chǎn)品，例如普通型材和普通棒材等產(chǎn)品，由于裝備水平不高，用離線監(jiān)測系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備中晚期故障，如果專業(yè)人員水平較高，也可以發(fā)現(xiàn)一些高速設(shè)備的中晚期隱患。在中高端產(chǎn)品，例如鋼簾線、冷軋板、硅鋼板等，離線系統(tǒng)很難埔捉到故障早期特征；而且無法記錄軋制每一塊原材料的時刻，從而也就無法知道影響產(chǎn)品質(zhì)量的準(zhǔn)確原因；更重要的是，某些新型復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，不容許維護(hù)人員用手持式儀器靠近設(shè)備，例如煉鐵高爐爐頂齒輪箱附近煤氣大，冷連軋機(jī)組機(jī)架進(jìn)行封閉式軋制等。所以，在軋制品種鋼或者新建具有國際競爭力生產(chǎn)線的企業(yè)，應(yīng)有比例的投運在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)。

（4）認(rèn)為建設(shè)新廠時已經(jīng)投入大量費用，再沒有資金投入，剛運行的新設(shè)備不需要上在線監(jiān)測系統(tǒng)。2008年9月17日凌晨4時左右，某新建熱軋廠點檢工人聽見粗軋機(jī)下接軸平衡軸承座處一聲異響，人工檢測出該部位溫度升高，由于測溫儀無法識別軸承故障，停車后又恢復(fù)轉(zhuǎn)車，該部位又聽到一聲異響，同時冒出大量黑煙，軋機(jī)停止運行，停機(jī)后發(fā)現(xiàn)該軸承嚴(yán)重?zé)龘p，多處融接在一起。由于下接軸軸頸燒損，僅在換上新接軸之前，熱連軋機(jī)R2下接軸平衡軸承的累計檢修時間就長達(dá)204h，直接損失高達(dá)4420萬元。而在承德鋼鐵集團(tuán)公司熱軋廠，由于投入了在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅在試車階段就發(fā)現(xiàn)了制造廠的設(shè)備缺陷，且從投產(chǎn)至今從沒有發(fā)生過惡性機(jī)械故障。

五、冶金設(shè)備診斷技術(shù)展望

冶金設(shè)備機(jī)械零部件制造工藝、材質(zhì)、熱處理、裝配等因素未達(dá)到技術(shù)要求時，往往會引起異常振動、噪聲和溫升等，成為誘發(fā)故障的重要因素。針對冶金機(jī)械傳動系統(tǒng)的特點，對其進(jìn)行動力學(xué)分析，將系統(tǒng)簡化為系統(tǒng)力學(xué)模型，通過建立運動微分方程組，并求解得到系統(tǒng)的固有頻率、扭振的角位移和扭振力矩，可以為正確使用維護(hù)設(shè)備、分析解決設(shè)備故障提供幫助。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料性能的提升，機(jī)械設(shè)備的可靠性越來越高，壽命越來越長，在允許的時間內(nèi)很難獲取足夠的失效數(shù)據(jù)，采用基于壽命數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)統(tǒng)計推斷方法進(jìn)行可靠性評價難度較大。機(jī)械設(shè)備在使用過程中的性能退化數(shù)據(jù)中包含著大量的壽命信息，基于性能退化數(shù)據(jù)的可靠性分析技術(shù)在預(yù)測冶金設(shè)備故障方面具有很好的應(yīng)用前景。

冶金企業(yè)比任何時候都更加需要設(shè)備智能診斷技術(shù)，基于案例和規(guī)則的專家系統(tǒng)將會快速發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等各種技術(shù)的智能診斷系統(tǒng)也將逐步投入應(yīng)用，國內(nèi)外科研單位和企業(yè)聯(lián)合開發(fā)將使各方盡早受益。

全員維護(hù)是設(shè)備診斷技術(shù)成功的保證，廠長要將預(yù)知維修納入日常工作進(jìn)行督察，生產(chǎn)廠長在掌握設(shè)備運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上安排生產(chǎn)，設(shè)備廠長依據(jù)監(jiān)測診斷數(shù)據(jù)維護(hù)設(shè)備，生產(chǎn)操作人員要及時發(fā)現(xiàn)隱患，設(shè)備維護(hù)人員要會分析判斷故障部位、損壞程度并預(yù)測壽命。

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