低速重載軋機(jī)齒輪箱HD高清故障診斷方法應(yīng)用研究

左家信,胡立新

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 無(wú)錫 214429）

低速重載軋機(jī)齒輪箱HD高清故障診斷方法應(yīng)用研究

左家信,胡立新

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 無(wú)錫 214429）

本文介紹了常規(guī)診斷方式的局限性和高清診斷方法的特點(diǎn)，從技術(shù)上和應(yīng)用方面全面闡述低速重載齒輪箱診斷的要點(diǎn)。

振動(dòng)；加速度；低頻；HD高清分析方法

隨著企業(yè)生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備控制和結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，自動(dòng)化、智能化水平越來(lái)越高，設(shè)備可靠運(yùn)行是企業(yè)的迫切需要。通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)備實(shí)施現(xiàn)代的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備的故障發(fā)展進(jìn)行早期診斷，預(yù)知故障發(fā)生趨勢(shì)，找出故障發(fā)生的原因，采取適當(dāng)、有效的措施進(jìn)行維修保養(yǎng)，避免設(shè)備的突然停機(jī)，確保設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 軋機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)存在的問(wèn)題

冶金企業(yè)普遍采用振動(dòng)測(cè)試技術(shù)來(lái)分析軋機(jī)齒輪箱的故障，并且在一些軋機(jī)齒輪箱上進(jìn)行應(yīng)用。但是，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，能取得較好效果的，基本轉(zhuǎn)速在50轉(zhuǎn)/分鐘以上的齒輪箱。查看大量的振動(dòng)技術(shù)資料，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：（1）一般對(duì)于低頻振動(dòng)測(cè)量，最常用的方法是測(cè)量振動(dòng)加速度，加速度值會(huì)隨轉(zhuǎn)頻的減少而減小。（2）設(shè)備轉(zhuǎn)速低，設(shè)備上振動(dòng)表現(xiàn)為低頻信號(hào)比較突出，而低頻振動(dòng)信號(hào)分析受到測(cè)量?jī)x器的能力限制，低轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致故障振動(dòng)信號(hào)頻率也會(huì)很低，而傳感器的高通濾波器會(huì)將1HZ或者2Hz以下的頻率信號(hào)當(dāng)作噪聲過(guò)濾掉，再加上受到環(huán)境噪聲的影響，使得振動(dòng)分析效果變得很差。雖然一些儀器生產(chǎn)廠家號(hào)稱自己公司有超低頻的振動(dòng)傳感器，但是實(shí)際使用中其穩(wěn)定性和可靠性比較差，測(cè)量和分析結(jié)果往往不能被客戶接受。（3）沖擊性工況的瞬態(tài)性問(wèn)題，每次沖擊的時(shí)間較短，比如軋機(jī)咬鋼時(shí)，鋼坯對(duì)軋輥造成巨大的沖擊，這個(gè)沖擊造成傳感器產(chǎn)生較大的影響，在頻譜上產(chǎn)生大量莫名其妙的沖擊信號(hào)，給分析故障增加了難度。（4）由于軸承故障點(diǎn)產(chǎn)生的沖擊能量小，響應(yīng)頻率低，激起不來(lái)高的頻率成分。

對(duì)于大于50r/min以上設(shè)備采用振動(dòng)測(cè)量時(shí)，由于振動(dòng)相對(duì)具有較大的能量，并且短周期，應(yīng)用振動(dòng)分析可以相對(duì)比較容易進(jìn)行故障診斷；對(duì)于低于50r/ min的設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于振動(dòng)能量小而且周期長(zhǎng)，因而診斷故障也會(huì)很困難。長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)低頻乃至超低頻信號(hào) (≤1Hz)是許多國(guó)內(nèi)外測(cè)量分析儀器的難點(diǎn)。為了捕捉振動(dòng)信不失真號(hào)，必須采樣時(shí)間較長(zhǎng)。采樣線數(shù)不能太低，頻寬也不能太低，如此多的線數(shù)，寬的采樣頻寬，長(zhǎng)的采樣時(shí)間，對(duì)檢測(cè)設(shè)備信號(hào)處理能力，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面要求非常高，結(jié)果形成較高的造價(jià)，還可能不被客戶認(rèn)可。

軋機(jī)齒輪箱屬于低速重載設(shè)備，齒輪箱上的滾動(dòng)軸承隱患的特征頻率能量極低，一般在振動(dòng)頻譜圖的最左端，而且振動(dòng)幅值很低，很容易被忽視；更由于系統(tǒng)本身振動(dòng)噪聲的緣故，將有隱患零部件的特征頻率淹沒(méi)掉。傳統(tǒng)的頻譜分析、細(xì)化譜以及倒頻譜技術(shù)等對(duì)于低頻的信號(hào)分析處理能力也沒(méi)有作用。

2 軋機(jī)齒輪箱高清分析狀態(tài)監(jiān)測(cè)法

2.1 低速重載軋機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要性

振動(dòng)測(cè)試能準(zhǔn)確掌握設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，保證設(shè)備健康穩(wěn)定運(yùn)行在正常范圍之內(nèi)。通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)的在線測(cè)試，可以隨時(shí)隨地了解設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況后，及時(shí)提醒相關(guān)人員采取補(bǔ)救措施；可準(zhǔn)確描述設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)或?qū)?lái)發(fā)展趨勢(shì)，為設(shè)備的日常維修和大修提供可靠的依據(jù)，從而避免不必要的過(guò)渡修理或者過(guò)剩修理；并且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)知性維修。通過(guò)周期性測(cè)試，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)出現(xiàn)的故障及其發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)報(bào)，為實(shí)現(xiàn)預(yù)知性維修提供可靠的技術(shù)保障。

2.2 軋機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的步驟

對(duì)齒輪箱和軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷時(shí)，要先選用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎@里推薦使用沖擊脈沖傳感器，將傳感器安裝在合適的測(cè)點(diǎn)位置。由于傳感器發(fā)生共振，將測(cè)得微弱信號(hào)進(jìn)行共振放大，放大信號(hào)再接入信號(hào)調(diào)理器進(jìn)行濾波、降噪等預(yù)處理。從信號(hào)調(diào)理器出來(lái)的信號(hào)是模擬信號(hào)，計(jì)算機(jī)是無(wú)法的識(shí)別的，因此振動(dòng)信號(hào)還要接入模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，即A／D卡，進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。最后利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域的分析，從而成功的實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪和軸承的振動(dòng)測(cè)試。

2.3 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)施方案

通過(guò)多年的對(duì)比試驗(yàn)和研究，最新的高清分析法是解決低速重載設(shè)備問(wèn)題最有效的方法之一。高清分析法是瑞典SPM公司建立在多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐基礎(chǔ)之上，根據(jù)低速重載設(shè)備工作特點(diǎn)、實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜狀況開發(fā)出來(lái)的。所謂高清分析法就是測(cè)試的技術(shù)參數(shù)不是通用的振動(dòng)，而是高清的振動(dòng)+高清的沖擊脈沖+高清的轉(zhuǎn)速聯(lián)合測(cè)試，比通用振動(dòng)測(cè)試效果要好很多，具體表現(xiàn)如下：（1）測(cè)試齒輪箱結(jié)構(gòu)上的滾動(dòng)軸承故障信號(hào)中不會(huì)帶入齒輪類的沖擊信號(hào)，避免了齒輪超強(qiáng)的信號(hào)把軸承故障信號(hào)淹沒(méi)。（2）測(cè)試齒輪箱結(jié)構(gòu)，齒輪故障信號(hào)中不會(huì)帶入軸承故障的沖擊信號(hào)，避免了是否由于軸承故障引起的擔(dān)憂。（3）變速變載條件下，對(duì)信號(hào)的捕捉和取舍很關(guān)鍵，通過(guò)專利的高清轉(zhuǎn)頻追蹤技術(shù)，可以很好的將轉(zhuǎn)速的變化和信號(hào)緊密結(jié)合起來(lái)，保證信號(hào)分析準(zhǔn)確性。

3 高清SPM HD監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

振動(dòng)監(jiān)測(cè)是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)最基礎(chǔ)最重要的組成部分，能夠監(jiān)測(cè)振動(dòng)量值的大小和引起振動(dòng)的原因，如：動(dòng)平衡、松動(dòng)、聯(lián)軸器對(duì)中、共振等；也能通過(guò)共振解調(diào)（包絡(luò)）技術(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承做診斷。但對(duì)于低速設(shè)備通過(guò)診斷傳感器所做的共振解調(diào)（包絡(luò)）對(duì)滾動(dòng)軸承做診斷是沒(méi)有把握的，除了不能對(duì)軸承故障的嚴(yán)重程度、潤(rùn)滑狀態(tài)做出判斷之外，還經(jīng)常會(huì)誤診、漏診，這是由振動(dòng)傳感器的技術(shù)特性缺陷所決定了的。如果想對(duì)低速設(shè)備的滾動(dòng)軸承做出精確無(wú)誤的診斷，必須采用SPM 的沖擊脈沖技術(shù)及SPM HD技術(shù)。

高清的SPM HD技術(shù)有著無(wú)比的優(yōu)越性，它不但具有先進(jìn)的智能化和人性化的監(jiān)測(cè)與分析，還包括有滾動(dòng)軸承的精確診斷與分析技術(shù)。SPM 的滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)得到全世界高度認(rèn)可，許多設(shè)備制造商采用SPM的沖擊脈沖軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，并把沖擊脈沖監(jiān)測(cè)方法融入到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，出廠的產(chǎn)品中均安裝有沖擊脈沖測(cè)試適配器、沖擊脈沖傳感器或SPM在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

SPMHD 沖擊脈沖軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)突破了轉(zhuǎn)速極限，能測(cè)量貫穿1～20000r/min 轉(zhuǎn)速范圍的軸承狀態(tài)；SPMHD能夠?qū)⑵谕@得的軸承信號(hào)從復(fù)雜的背景噪聲中區(qū)分出來(lái)，經(jīng)提取和增強(qiáng)，從而得到一個(gè)清晰的的軸承狀態(tài)信息。采用SPMHD 測(cè)量，可獲得軸承狀態(tài)值HDm/HDc、HD 時(shí)域波形（SPM Time Signal HD）和HD 頻譜（SPM Spectrum HD）。

3.1 通過(guò)HDm/HDc 對(duì)軸承進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估

（1）HDm 是脈沖脈沖最大值，反映軸承的損傷程度。（2）HDc 是沖擊脈沖地毯值（基本值），反映軸承潤(rùn)滑狀態(tài)。（3）好軸承： HDm 在綠色區(qū)域，其值小于或等于20。（4）軸承早期故障：HDm 在黃色區(qū)域，其值在21～35 之間，HDm 和HDc 間有較大的差值。（5）壞軸承：HDm 在紅色區(qū)域，其值等于或大于35，HDm 和HDc 間有較大的差值。（6）潤(rùn)滑不良： HDc 接近于或大于20， HDm 和HDc 間的差值很小。（7）過(guò)剩潤(rùn)滑：HDc 為負(fù)值。

3.2 用HD 時(shí)域波形（SPM Time Signal HD）

分析軸承故障根源，通過(guò)這樣的時(shí)域信號(hào)，即使不知道軸承的型號(hào)，也能對(duì)軸承做出分析，因?yàn)檩S承每個(gè)部件均有其各自不同的時(shí)域特征。如圖1所示波形，便知是軸承內(nèi)圈故障；圖2所示波形，應(yīng)為軸承外圈故障。

圖1

圖2

3.3 通過(guò)HD 頻譜（SPM Spectrum HD）精確診斷軸承故障

如果知道軸承型號(hào)和轉(zhuǎn)速，則可以通過(guò)沖擊脈沖高清頻譜（HD 頻譜）精確診斷軸承故障。圖3為通過(guò)HDm/HDc 趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)判的案例，圖4～6為軸承故障診斷案例。

圖3

圖4 軸承內(nèi)圈損傷

圖5 軸承外圈損傷（洗漿機(jī)）

由此可見，采用SPMHD 軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)，軸承的全壽命狀態(tài)都將清晰地展現(xiàn)出來(lái)，包括：損傷程度、潤(rùn)滑、損傷部位等，還能夠?qū)崿F(xiàn)軸承故障預(yù)警期平均能達(dá)6個(gè)月以上。因此，SPMHD 技術(shù)是非常有效和可靠的。

4 高清齒輪診斷技術(shù)介紹——齒輪圓坐標(biāo)診斷

在進(jìn)行頻譜分析時(shí)域波形分析時(shí)，接觸到的都是直角坐標(biāo)系表現(xiàn)出來(lái)的圖形?，F(xiàn)在改變一下坐標(biāo)系，在采樣時(shí)，采用轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)進(jìn)行采集相位界定。設(shè)備每轉(zhuǎn)一圈，采集一次完整信號(hào)，再轉(zhuǎn)一圈，再采集一次完整信號(hào)，這時(shí)，將一轉(zhuǎn)時(shí)間和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度聯(lián)系起來(lái)，形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣就可以將直角坐標(biāo)圖形轉(zhuǎn)變?yōu)閳A坐標(biāo)圖形。

下面右側(cè)圓坐標(biāo)圖（圖6a），發(fā)現(xiàn)測(cè)試三個(gè)方向（水平、垂直、軸向）測(cè)試的圓坐標(biāo)圖形狀基本一樣，可以清晰發(fā)現(xiàn)有五個(gè)較大沖擊信號(hào)，五個(gè)較小沖擊信號(hào)。說(shuō)明該齒輪存在五處大的磨損，五處小的磨損。解體發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證無(wú)疑。從圖6b的圓坐標(biāo)圖上，很快會(huì)發(fā)現(xiàn)齒輪存在偏心故障。

圖6

TH165+.3

A

1671-0711（2017）07（上）-0097-03