大功率立磨減速機(jī)遠(yuǎn)程在線(xiàn)狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)裝置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文|吳昊 余小輝 . 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 . 南京高速齒輪制造有限公司

立磨減速機(jī)作為立式磨機(jī)的核心部件之一，用于傳送動(dòng)力，將電機(jī)轉(zhuǎn)速降到磨機(jī)所需的研磨轉(zhuǎn)速，并對(duì)磨機(jī)磨盤(pán)行程支撐。立式磨機(jī)需要極高的額定功率和極高的可用性，研磨過(guò)程中所產(chǎn)生的較高軸向力和部分徑向力通過(guò)推力軸承和齒輪外殼傳送到磨機(jī)基礎(chǔ)。立磨減速機(jī)廣泛用于建材行業(yè)、電力行業(yè)及冶金行業(yè)的行業(yè)。現(xiàn)階段，大部分的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)類(lèi)產(chǎn)品和技術(shù)通常只從振動(dòng)一個(gè)維度對(duì)齒輪箱故障問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該種方式極易產(chǎn)生大量誤報(bào)警和漏報(bào)警的現(xiàn)象，尤其對(duì)大型立磨齒輪箱在復(fù)雜工作環(huán)境中各部件易損壞的問(wèn)題,無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和故障部件定位。

基于上述原因，本文利用多傳感器信息融合技術(shù)，基于工業(yè)級(jí)ARM和FPGA芯片，同時(shí)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的數(shù)字信號(hào)處理DSP嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的在線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)智能采集及處理裝置，該設(shè)備采用了特殊的模塊化電路設(shè)計(jì)，將振動(dòng)傳感器單元、油液金屬磨損顆粒單元和鉑熱電阻測(cè)溫等單元有機(jī)集成至一套電路板中。上位機(jī)系統(tǒng)集配置與數(shù)據(jù)分析于一體，系統(tǒng)運(yùn)用時(shí)域波形、頻譜、包絡(luò)解調(diào)、溫度趨勢(shì)和磨粒統(tǒng)計(jì)等相關(guān)工具進(jìn)行診斷分析，結(jié)合可選的故障征兆，進(jìn)而對(duì)機(jī)組的工作狀況進(jìn)行精確診斷，了解機(jī)組的具體故障、部位和原因等信息

一、系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程在線(xiàn)狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下部分組成，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程在線(xiàn)狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖

立磨齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)采集單元分布及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。各采集單元功能描述如下：

（1）采用霍爾電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行電流，通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)防應(yīng)電機(jī)過(guò)載導(dǎo)致齒輪箱輸入端過(guò)載損壞。

（2）應(yīng)用耐腐蝕、耐惡劣環(huán)境的應(yīng)力傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)齒輪箱輸入端扭矩，防止齒輪箱負(fù)載過(guò)大，導(dǎo)致齒輪箱輸入端扭曲變形等損壞現(xiàn)象。

（3）齒輪箱運(yùn)行轉(zhuǎn)速采用應(yīng)用接近開(kāi)關(guān)式傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該傳感器具有很強(qiáng)的通用性和穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)速傳感器采用——鋼結(jié)構(gòu)支架固定在齒輪箱輸入端處。

（4）針對(duì)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及易發(fā)生故障的部位(如軸承端、二次側(cè)傳動(dòng)軸和軸瓦等)，內(nèi)置了多個(gè)鉑熱電阻，實(shí)時(shí)采集內(nèi)部部件運(yùn)行溫度指標(biāo)，鉑熱電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度變化引起電阻變化。

（5）加速度傳感器，用于采集齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，針對(duì)立磨齒輪箱結(jié)構(gòu)及故障部位損害特點(diǎn)，在齒輪箱裝備或大修階段，預(yù)先將7只振動(dòng)加速度傳感器埋置在齒輪箱內(nèi)部，這7只傳感器由于需要浸泡在齒輪箱潤(rùn)滑油中，因此對(duì)該傳感器本體外殼進(jìn)行特殊處理，同時(shí)對(duì)傳感器引出線(xiàn)接口進(jìn)行特殊密封方式處理，以便達(dá)到耐油高溫、耐油腐蝕及耐油滲透等特點(diǎn)；另外1只傳感器采用表貼式方式，固定在輸入軸端附近。

（6）磨粒傳感器用于收集齒輪箱內(nèi)部磨損金屬顆粒數(shù)量和尺寸數(shù)據(jù)，針對(duì)齒輪箱底部潤(rùn)滑油流動(dòng)性差的特點(diǎn)，采用電磁式結(jié)構(gòu)磨粒傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、靈敏度高以及反應(yīng)快速等優(yōu)勢(shì)。

圖2 信號(hào)采集單元設(shè)置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

二、狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)基于工業(yè)級(jí)ARM和FPGA芯片,同時(shí)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的數(shù)字信號(hào)處理DSP嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)智能采集及處理裝置，如圖3所示，具有以下特點(diǎn)：

（1）信號(hào)采集采用全采集技術(shù)，能真正實(shí)現(xiàn)捕獲故障數(shù)據(jù)，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）可擴(kuò)展的多路和多種信號(hào)輸入接口，獨(dú)特設(shè)計(jì)的信號(hào)隔離采集電路、變送器電路以及A/D轉(zhuǎn)換器電子電路，可將各采集信號(hào)進(jìn)行融合處理。

（3）對(duì)外接口采用全覆蓋的高等級(jí)防雷電路設(shè)計(jì)，有效的提高了設(shè)備的可靠性。

（4）內(nèi)置寄存器功能，可對(duì)采集信號(hào)策略進(jìn)行有效配置，通過(guò)設(shè)置采樣值、頻率、時(shí)間范圍、高通濾波等篩選條件實(shí)現(xiàn)智能化采集。

（5）可設(shè)置多參數(shù)報(bào)警值和多形式報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)智能故障預(yù)警。

（6）內(nèi)置的SIM卡無(wú)線(xiàn)通訊模塊，可將有效數(shù)據(jù)或報(bào)警數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)推送到手機(jī)APP客戶(hù)端。

圖3 在線(xiàn)狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)裝置

三、狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)級(jí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用B/S分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)自帶模板設(shè)備，并可自定義模板設(shè)備，可快速配置設(shè)備信息，可完成單臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組采集策略更新，如圖4所示。利用內(nèi)置的軸承數(shù)據(jù)庫(kù)資源，結(jié)合多種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)型式模型算法，可方便快速識(shí)別軸承及齒輪缺陷。系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)分析功能，時(shí)域波形、頻譜、倒譜、包絡(luò)解調(diào)、交叉相位、瀑布圖、多波形、多頻譜、軸心軌跡、轉(zhuǎn)速圖譜、轉(zhuǎn)速/趨勢(shì)組合圖譜、溫度監(jiān)測(cè)、磨粒數(shù)量及尺寸統(tǒng)計(jì)等20余種分析方法。通過(guò)設(shè)置篩選條件，如采樣值、頻率、時(shí)間范圍及高通濾波等，可輕松選出需要分析的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)集配置與數(shù)據(jù)分析于一體，支持OPC服務(wù)器軟件功能，也支持ISO 10816等標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)報(bào)警值設(shè)定。

圖4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)

四、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用分布式網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性和定位存儲(chǔ)信息特性，系統(tǒng)的可靠性高、存取效率高，可實(shí)現(xiàn)集群式工廠智能監(jiān)控和管理，如圖5所示。

診斷工程師基于遠(yuǎn)程診斷平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，診斷系統(tǒng)針對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的軸承、齒輪擁有400多項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行智能診斷，并自動(dòng)生成診斷報(bào)告，通過(guò)內(nèi)置的無(wú)線(xiàn)SIM卡模塊自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并通過(guò)短信、郵件等方式通知現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理員或減速機(jī)廠家服務(wù)人員，根據(jù)報(bào)警信息對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)分析。

圖5 遠(yuǎn)程中心軟件示例

五、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

某國(guó)內(nèi)廠家立磨減速機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)已安全運(yùn)行近5年時(shí)間，某日遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)現(xiàn)大齒圈上的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)震蕩上身，同時(shí)其他相關(guān)測(cè)點(diǎn)無(wú)同步性變化，診斷分析工程師通過(guò)時(shí)域、頻譜和包絡(luò)解調(diào)等數(shù)據(jù)分析方法，鎖定內(nèi)齒圈12點(diǎn)鐘方向

存在損傷，故障波形圖如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)故障波形

經(jīng)客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師檢查，大齒圈12點(diǎn)鐘方向多個(gè)齒輪面出現(xiàn)剝落，部分齒輪面存在壓痕，現(xiàn)場(chǎng)檢查圖如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果圖片

現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果與診斷分析結(jié)果一致，經(jīng)故障排查，該故障屬于齒輪正常疲勞剝落，針對(duì)該故障，遠(yuǎn)程診斷中心分析師給出了專(zhuān)業(yè)的判斷依據(jù)和結(jié)論，并給出了合理化的維保建議。

六、結(jié)論

本文利用多技術(shù)融合的方式從振動(dòng)、磨粒、溫度等多個(gè)維度對(duì)立磨減速機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一管理，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于多傳感器信息融合的在線(xiàn)狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)裝置，能有效的對(duì)大功率立磨減速機(jī)等大型設(shè)備進(jìn)行多維度監(jiān)測(cè)，該種監(jiān)測(cè)方式能在復(fù)雜工作環(huán)境中對(duì)易損壞部件進(jìn)行精準(zhǔn)定位，大大降低了事故性停機(jī)和非計(jì)劃性停機(jī)概率，降低維保成本，提高了用戶(hù)生效率和經(jīng)濟(jì)效益。