高線減定徑機組狀態監測系統研究

蘇金環，薄偉兵，許黎明

(1．上海交通大學機械與動力學院，上海200240;2．寶鋼股份特鋼事業部條鋼廠，上海200940)

高線減定徑機組狀態監測系統研究

蘇金環1，薄偉兵2，許黎明1

(1．上海交通大學機械與動力學院，上海200240;2．寶鋼股份特鋼事業部條鋼廠，上海200940)

為提高減定徑機組的可靠性，寶鋼股份特鋼事業部條鋼廠利用NI公司的硬件設備和LabVIEW虛擬儀器開發平臺構建了高線減定徑機組在線狀態監測系統，對設備運行狀態進行實時振動監測和故障分析。經過實踐運行，系統穩定，可靠。

減定徑機組;狀態監測;故障診斷;數據采集

0 前言

寶鋼特鋼線材分廠不銹鋼線材連續生產線，自動化程度高，減定徑機組(Reducing and Sizing Mill)是高速線材軋制生產線的關鍵設備，運轉速度高、載荷變化頻繁。提高減定徑機組的可靠性，對于保證生產的正常運行具有重要意義。

目前，該機組主要依靠人工點檢和簡易檢測工具來掌握其運行狀態，不能有效的預測和預防設備將出現的故障;同時由于缺乏必要的連續檢測數據，發生故障后也無法做出正確的診斷。因此，建立狀態監測系統，對減定徑機組運行的過程狀態參數進行監測和分析是判斷設備是否正常運行，是否存在潛在故障及預測故障發展趨勢等問題的有力手段。

1 系統結構

1.1 傳感器選擇與測點布置

狀態監測系統的傳感器是整個系統的信息來源，傳感器信號的準確性和測點布置的合理性直接影響系統的可信度。減定徑機組傳動系統結構復雜，三聯齒輪箱和錐箱轉軸速度高，變化范圍大。根據減定徑機組傳動系統的結構特點，本系統選用美國PCB公司ICP 603C01(數量49)和606A01(數量10)兩種型號的壓電式加速度傳感器，這類傳感器內置電荷放大器，具有體積小、靈敏度和可靠性高、抗干擾能力強、安裝方便、使用壽命長等特點。

限于篇幅，本文對傳感器測點位置不一一列出。選取測點位置的原則是在軸承座剛度大的地方，并盡可能選擇在載荷密度最大的位置，以便盡可能多地獲取傳動軸上各零部件的振動信號，反映設備的運行狀態。

1.2 硬件配置

系統硬件選用美國國家儀器(NI)公司PXI模塊化儀器平臺，硬件組成見表1。

表1 系統硬件組成

1.3 軟件配置

系統軟件主要采用美國國家儀器(NI)公司研制開發的Labview 2010圖形化編程語言，在英文WINDOWS 2000/XP環境下運行，具有系統配置、狀態監測和信號分析、故障診斷和網絡通訊等功能，使用簡便。軟件的主畫面如圖1所示。

圖1 監測系統主畫面Fig.1 Home screen ofmonitoring system

2 系統主要功能

2.1 系統配置

在系統配置中，可以對系統運行的各類參數進行設置，如采樣頻率、采樣數據長度、量程、報警上下限和故障診斷所需要的設備參數，如電機轉速和三聯齒輪箱各離合器的狀態，原始數據存儲時間間隔和存儲時間長度、信號分析方法等。通過系統配置，在不改變軟件的前提下，可以滿足修改監測設備參數的需要。

2.2 狀態監測和信號分析

系統能夠用數字、曲線和表格形式實時顯示測點的狀態，可以對需要監測的參數和顯示方式等進行在線修改，直觀形象的顯示設備的狀態，并且在出現異常時進行報警。

系統提供時域分析、頻域分析和時頻分析等多種信號分析方法，可以根據需要在線進行選擇。如在波形圖中，可以對振動峰值、絕對均值、有效值、峭度和波峰因子等特征數據進行在線生成;在頻譜圖中，可以在線生成振動的中心頻率、均方頻率、均方根頻率和頻率方差等。

2.3 故障診斷專家系統

針對高線減定徑機組傳動特點，建立機組齒輪和軸承故障形式和頻譜特征知識庫;結合不同軋制規格，建立齒輪箱傳動與軋制規格對應關系數據庫，系統采用基于統計理論和人工智能的旋轉機械狀態識別算法進行在線或離線診斷。目前，系統具有較強的征兆自動獲取能力，能夠自動診斷軸承間隙增大、齒輪點蝕、局部斷齒、軸承內外圈故障和滾動體故障等。

3 實例分析

本系統投入運行后發現減定徑機組1號150錐箱34#Ⅱ軸傳動側徑向水平測點振動異常，其振動速度有效值4.67 mm/s，振動速度峰值高達16.70 mm/s，34#Ⅱ軸運轉速度1 865.73 r/min，時域波形如圖2所示。從時域波形圖中可明顯看出具有規則的周期性的沖擊成分，時域特征參數指標峰值因子3.58，峭度因子2.56，這兩個值反應信號中沖擊能量偏大，有故障存在。

對時域信號作頻譜分析，從頻譜圖3中可以看出在1.09 kHz、2.18 kHz和3.27 kHz處有沖擊頻率出現，且三個頻率成倍數關系，其中信號主要頻率1.09 kHz附近存在諧波。為分離和提取頻譜中的周期成分，對信號進行倒頻譜分析，在圖4所示的倒頻譜圖中0.03215 s處有明顯的突起峰值譜線，對應頻率為31.10 Hz，與軸頻相同。

34#Ⅱ軸傳動側為16齒螺旋傘齒輪，齒輪嚙合頻率497.6 Hz。頻譜圖中的沖擊頻率1.09 kHz是齒輪嚙合頻率497.6 Hz的2.2倍，判定螺旋傘齒輪齒輪存在故障。利用設備停機時間對34#Ⅱ軸進行拆檢，發現16齒螺旋傘齒輪小端的兩個齒面存在點蝕故障，如圖5所示。

圖5 故障齒輪Fig.5 Gear with fault

4 結論

本文利用美國NI公司的硬件設備和Lab-VIEW虛擬儀器開發平臺構建了高線減定徑機組狀態監測系統，系統硬件配置合理，軟件設計靈活，經過一段時間的實踐運行，系統穩定可靠，能夠滿足高線減定徑機組在線狀態監測和故障診斷的需要，提出了高線減定徑機組狀態監測和故障診斷的一種新的解決方案。

［M］．北京:機械工業出版社，1997．

［2］National Instruments Corporation．NIPXI－8110 user manual and specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2010．

［3］National Instruments Corporation．NI PXI－1042 series user manual and specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2004．

［4］National Instruments Corporation．NI 4498x specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2008．

［1］韓捷，張瑞林．旋轉機械故障機理及診斷技術

Research of condition monitoring system for high-speed w ire reducing and sizing m ill

SU Jin-huan1，BOWei-bing2，XU Li-ming1
(1．School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China;2．Bar Steel Plant，Special Steel Business Unit，Baoshan Iron and Steel Co．，Ltd，Shanghai200940，China)

In order to improve the reliability of the reducing and sizing mill，Baosteel Special Steel uses NI hardware and LabVIEW virtual instrument development platform to build conditionmonitoring system of highspeed wire reducing and sizingmill to vibrationmonitoring real－time and faultanalysis．It is proved stable and reliable．

reducing and sizingmill;condition monitoring;fault diagnosis;data acqusition

TG333.62

A

1001－196X(2012)04－0056－04

2012－03－26;

2012－04－17

蘇金環(1983－)，男，上海交通大學工程碩士，從事機械設備狀態監測與故障診斷研究。