設備狀態監測在生產機械中的應用探討

摘 要：簡述了膨化連續混藥生產機械特點及產生故障原因；介紹了狀態監測在于掌握設備發生故障之前的異常征兆與劣化信息，以便事前采取針對性措施控制和防止故障發生，從而減少故障停機時間和停機損失?，F就我公司的狀態監測體系、方法及其應用情況進行論述與分析。

關鍵詞： 設備； 狀態監測； 膨化連續混藥炸藥； 油液分析； 鐵譜分析； 磨粒； 磨損； 取樣； 振動

膨化連續混藥炸藥是以硝酸銨為基本原料的合成民用炸藥。機械設備為化工設備，設備傳動類型多，生產線長且生產線上任何一臺設備出現故障，都將導致大量的不合格品，對生產成本造成極大的影響。在我公司的生產機械中存在著大量的動力設備及傳動機構，伴隨著相接觸的金屬零件間的相對運動，都會發生磨損，磨損的絕大部分又是在潤滑介質中產生，所以，磨損是生產線機械零件失效的主要形式之一。由于在生產中膨化連續混藥炸藥使用大量的硝酸銨等腐蝕性介質，腐蝕也是造成我廠機械零件失效的重要形式。同時，由于膨化連續混藥生產的連續性，疲勞是造成機械故障，尤其是發生斷裂的重要原因。另外，設備的載荷狀況、使用維護與管理水平狀況及氣候狀況等都會對設備故障產生影響。表1為生產線上統計的造成膨化連續混藥生產線設備故障的各種因素的概率。

表1 造成膨化連續混藥炸藥生產線設備故障的各種因素的概率

傳統的維修方式是事后維修和計劃定修。經常出現兩種情況：一種是由于設備未能及時修理而造成設備更深程度的嚴重損壞，因而增加了維修難度和維修成本；另一種是在大修時發現設備各運動部件還處在正常工作狀態，此時大修不僅浪費設備資源、減少產量，也增加了設備維修成本。設備狀態監測的目的在于掌握設備發生故障之前的異常征兆與劣化信息，或者在故障處于輕微階段時將其監測出來，以便事前采取針對性措施控制和防止故障的發生，從而減少故障停機時間和停機損失，降低維修費用和提高設備有效使用率。它的推廣應用是設備現代化管理的重要內容，針對不同行業特點，探討并選擇適合自己的應用模式，以求充分發揮其技術優勢是企業設備管理人員的重要工作之一。

膨化連續混藥炸藥生產線設備多，對每臺設備都進行狀態監測是不徹實際的，也沒有必要。因此，我們對生產線上的關鍵設備、重要設備及流水線上的設備進行狀態監測，并且改變維修體制，使設備的維修逐步實行以狀態監測為基礎的狀態維修體制。

1.設備狀態監測方法的選擇

各種狀態監測技術，各有特點。從開展設備診斷的目的出發，我們希望采用最簡單、最經濟、最少的方法，獲得準確、最多的信息。

磨損、腐蝕和疲勞是機械零件失效的三種主要形式和原因，如表1所示磨損失效占55%。由于油液分析法對磨損監測的靈敏性和有效性，又根據膨化連續混藥炸藥生產線設備的特點，我們主要采用油液分析技術和便攜式測振儀開展設備狀態監測。

1.1.用油液分析技術監測設備零部件的磨損情況在生產線上的應用

根據工作原理和監測手段的不同，油液分析技術可分為：磁塞法、顆粒計數法、光譜分析法和鐵譜分析法。而鐵譜分析法又可分為直讀式檢測法和分析鐵譜檢測法兩種。鐵譜分析的原理是在高梯度磁場的作用下，將油液中的磨屑或其它污染物分離出來，并按粒度大小，依次沉積到特制基片或沉淀管中，以分析油液中各種金屬磨屑和污染物的形態、成分、數量及粒度分布情況，從而獲得有關磨損過程的磨粒類型及磨屑材料方面的信息，據此對設備狀態進行監測和診斷。

目前比較成熟的鐵譜分析方法有直讀式鐵譜檢測法和分析式鐵譜檢測法兩種。直讀式鐵譜檢測法主要用于監測潤滑油種磨粒的尺寸分布情況，判斷其磨損程度；分析式鐵譜檢測法主要用于觀察潤滑油中磨粒的幾何形狀特征，判斷其磨損類別和原因。

在膨化連續混藥生產線機械的使用中，由于摩擦副零部件之間的相互作用而產生的磨屑微粒、金屬氧化物、腐蝕沉積以及外界進入的污染物顆粒等，這些微粒大多以懸浮狀態存在于潤滑油或工作油液中。分析油液中所含磨粒的成分、形狀、尺寸和濃度，則可反推出設備零件的磨損狀態、工作狀況，做到預測預報。通過比較，我們選擇了較為適合我司生產設備實際情況的鐵譜分析法中的分析式鐵譜檢測法，來監測我廠膨化連續混藥生產中的關鍵設備的磨損情況，進行制定檢修方案。

我們按取樣→油樣處理→油樣鐵譜分析→磨屑分析情況→結論→檢修的程序，對膨化連續混藥設備關鍵設備之一的真空干燥機減速箱中的潤滑油磨粒進行監測分析。

1.2.取樣

所取油樣的可靠性和是否有代表性直接決定了狀態監測結果的準確性。由于磨粒在油液中并不均勻分布且不連續存在，所以我們針對真空干燥機減速箱的潤滑油的特點，并結合實際經驗，在取樣技術上提出如下要求：

1.2.1.取樣位置

1.2.1.（1）在某一固定位置取樣，保證取樣的一致性。

1.2.1.（2）取樣點應在油液經過摩擦副之后。

1.2.1.（3）在油箱中取樣時，應考慮磨粒的沉淀效應，盡量避免在底部死角取樣。

1.2.1.（4）在管路中取樣時，應在過濾器前取樣，并在取樣前沖洗一下管路。

1.2.2.取樣頻率

1.2.2.（1）定期取樣。根據每臺設備的使用情況、摩擦副的特性以及對設備故障早期預報的準確度，制定明確的取樣周期。

1.2.2.（2）隨機取樣。設備在新投入運行或剛解體檢修過以及出現了異常磨損時，其取樣周期應短且應不定期的隨機取樣。通過不定期取樣，跟蹤檢查油液中磨粒的變化趨勢，及時提出檢修方案，直至正常后，才定期取樣。

1.2.2.（3）取樣時間。應盡量在不停機狀態下取樣。若必須在停機后取樣，應在停機后10min內取樣。

1.3.分析式鐵譜儀

分析式鐵譜儀的檢測，就是采用高梯度磁場。所不同的是在潤滑油中磨損顆粒碎屑沉積在塊玻璃基片上，用雙色顯微鏡觀察，根據磨粒形狀特征，可以進一步確定磨損的類型，分析顆粒的來源和原因，為設備的檢修提供直接的依據。表2是機器在不同磨損階段的顆粒特征。這樣，我們對磨損的原因就有清晰的認識，判斷故障也就方便了。

表2 不同磨損階段的顆粒特征

例如：我司生產車間膨化真空干燥罐減速器齒輪箱的鐵譜片入口區磨粒沉積量很高，其中有許多大的呈片狀的金屬磨粒，其表面沒有線痕和氧化的跡象，它們的尺寸達90μm以上，其尺寸與厚度之比約為10：1。磨粒表面沒有線痕說明其滑動速度低；磨粒表面無氧化跡象，鐵譜片上也沒有發現氧化微粒，因此可排除減速器在高速、高溫下運轉或潤滑不良的情況。根據以上觀察分析，判斷結果是齒輪的過載及齒輪疲勞所致，嚴重磨損正在發生。一個月后，我們利用產品更換間隙，組織搶修，更換齒輪，避免因停車檢修而造成的損失。

2.振動也是設備磨損的另一表現形式

機器內部產生異常時，一般情況下都會出現振動增大、振動性質改變等現象。因此，利用振動測定和分析手段，可以在不停機情況下，了解設備是否異常，判定異常部位、異常原因、異常程度等。便攜式測振儀是由設備診斷人員經過大量的摸索和實踐研制而成，它非常適合現場設備人員日常點檢使用。

2.1.便攜式測振儀在設備狀態監測的應用

根據現場維修及監測的經驗，我們采用便攜式測振儀來診斷膨化連續混藥部份受沖擊較大的設備故障，大大提高了我們判斷故障的準確率。

2.2.選擇測試參數

振動測試參數是指振動位移、振動速度、振動加速度。為了準確了解被測對象的狀態，必須事先對被測對象作一定的理論分析，合理選擇測試參數。一般認為，在機械發生的振動頻率中，在低頻域（10Hz以下）內以振動的一定位移級作為診斷標準，中頻域（10Hz-1KHz）內以一定速度級作為診斷標準，而高頻域（1KHz以上）內則以一定加速度級作為診斷標準。所以，當采用便攜式測振儀對滾動軸承進行簡易診斷時，通常選用振動速度或振動加速度作為測試參數。在平時的狀態監測中，我們對3個參數同時都進行測量和記錄。

2.3.選擇測點位置

測點位置能決定測到的是什么頻率成分的振動。因此，必須找到最佳的測振位置，合理布點。在實際測試中，我們以軸承部位作為測點，并從水平方向、垂直方向和軸向3個方向進行測試。同時，我們在測點位置用記號筆做上記號，以便每次測量都在同一位點。

2.4.振動判斷標準

振動判斷標準：以每臺設備正常運轉時的振動數據作為基準，當振動量達到這個基數的一定倍數時，就認為要加強監視或需要停機檢修了。振動量為原始基數值的2倍時，需要加強監視。低頻振動增大到原始基數值的4倍時需要檢修，高頻振動增大到原始基數值的6倍時需要檢修。

例如：圖2是生產車間采用便攜式測振儀對膨硝粉碎機兩側軸承的點檢測振圖。由圖中可以看出2012年02月25日年終檢修后檢測值為該機正常運行時中膨硝粉碎機兩側軸承的振動速度值；2012年03月25日振動量與2012年02月25日基本一致；2012年08月25日振動量約為設備正常運行時的2倍，需加強監視，縮短監測周期；2012年12月25日以后，振動量約為設備正常運行時的4倍，需要檢修。1個星期后，檢修時發現軸承滾子磨損嚴重，軸承間隙加大。

圖2 膨硝粉碎機兩側軸承點檢測振圖

3.設備狀態監測的發展

經過幾年來對設備狀態監測的應用，我們將膨化連續混藥生產線設備的維修逐步地向狀態維修過渡，有效地降低人力和物力的消耗，降低了生產成本，取得良好的經濟效益。同時我們也摸索出以下幾方面的經驗：

3.1.設備狀態監測是一項建立在多學科基礎上的綜合性新技術，其推廣應用一方面要建立長期的、有規律的設備狀態監測歷史檔案，另一方面分析人員要有豐富的機械維修經驗和綜合分析能力。

3.2.隨著現代工業的發展，設備結構越來越復雜，自動化程度越來越高，在開展含有多

某種摩擦副的設備技術診斷工作時，綜合運用幾種技術（如光譜分析、鐵譜分析），則可以獲得更為滿意的效果。

3.3.油液分析技術用于離線監測方式較多，所以，如何提高其分析的實時性和精確性是需進一步考慮的問題，開發相應的應用軟件并利用這些軟件及相應的硬件建成計算機分析系統將使油液分析技術提高到一個新的水平。

3.4.便攜式測振儀應用時的振動判斷標準，可用同類設備之間相互比較來判斷。一般情況下，振動為同類設備2倍時視為異常，需加強監視。

隨著科學技術的進步，很多新理論、新技術不斷的涌現出來，豐富和發展了診斷監測系統，使其不斷地向智能化發展。專家系統的應用使診斷監測系統向智能化邁進一大步，它逐步取代大部分非重復性勞動，獲得巨大的經濟和社會效益；人工神經網絡作為一種新的模式識別技術為診斷監測系統的智能化開辟了嶄新的途徑；在復雜機械系統中，由于故障征兆的模糊性、故障征兆與故障之間關系的隨機性，因而模糊數學方法、灰色系統理論提供了新的分析方法。所以，隨著我廠的不斷發展壯大，逐步采用這些新技術是我們下一步工作的主要目標。

參考文獻：

[1]廖伯瑜.主編.《機械故障診斷基礎》. 冶金工業出版社

[2]裴峻峰、楊其俊.編.《機械故障診斷技術》.石油大學出版社

[3]陳克興、李川奇.主編.《設備狀態監測與故障診斷技術》.科學技術文獻出版社

[4]黃文虎、夏松波、劉瑞巖等.編著.《設備故障診斷原理、技術及應用》.科學出版社