基于EIS傳感器的精軋機軋輥箱密封狀態在線監控系統研究

張國新，劉 健，嚴思保，張 峰

（1.馬鞍山馬鋼華陽設備診斷有限公司,安徽馬鞍山 243000;2.深圳市先波科技有限公司,廣東深圳518057）

1 概述

高速線材精軋機經常會發生因軋輥箱雙唇密封失效進水，污染潤滑油，燒壞機架的故障。由于沒有手段動態監測密封是否損壞，無法判斷哪個機架進水以及何時進水，目前采用定期更換軋輥箱密封來避免精軋機組進水，不僅造成巨大的浪費，也解決不了生產過程中密封損壞而導致精軋機進水問題[1]。

精軋機軋輥箱采用潤滑泵站系統集中供油，潤滑油流經每一架軋機的油膜軸承后通過機架的回油管流回油箱[2-3]。生產中，由于堆鋼事故、高溫紅鋼長時間烘烤致使密封老化，或裝配不良等都會造成軋輥箱雙唇密封損壞。雙唇密封損壞后，會在短時間內造成油品含水超標。通過分析線材高速軋機潤滑系統大量進水后潤滑油性能產生的變化，潤滑油引起軸承失效原因的分析得出以下結論：當含水量超過0.5%，軸承產生失效的機率大增；如果含水量超過1%，極有可能在短時間內（小于2.5 h）產生滾動軸承失效[4]。顯然在正常生產中靠人工巡檢發現密封失效是不現實的。本文基于電化學阻抗譜（EIS）傳感器設計了一種精軋機軋輥箱雙唇密封狀態在線監測系統，通過實時監測潤滑油中含水量的變化趨勢并發出預警及時發現軋輥箱密封問題。通過在馬鋼高速線材生產線應用表明，該系統能夠實時監測精軋機軋輥箱潤滑油含水量，及時發現軋輥箱的雙唇密封損壞問題。

2 傳感器檢測含水率的原理

常用的在線監測油品含水的主要方法有電容法和微波衰減法。電容法根據傳感器探頭的測量原理分為阻抗測量法和射頻電容法[5]。通過對比分析各種測試原理，我們建立了精軋機軋輥箱密封狀態在線監控系統，基于電阻抗法設計了新型傳感器。其原理是基于被測電介質介電常數的變化可以轉化為電容量變化的這一特點，通過電容傳感器測試電容變化，間接測量出介電常數的變化，進而反映出油液含水量，用來判斷密封狀態[6]。

電容傳感器基本結構如圖1所示。

圖1 電容傳感器基本結構

當忽略電容器邊緣效應時，電容量為：

式中

ε—電容兩極板間的介電常數；

ε0—真空介電常數（8.854187817×10-12F/m）；

εr—相對介電常數，對于空氣介質，εr≈1.000585；

S—極板間相互覆蓋面（m2）；

d—極板間距離（m）;

可見，保持S、d不變，可以通過檢測電容量C變化反映出介電常數ε變化。

含水的油液可近似看作是純水和純油的混合物，純水和純油的介電常數具有顯著的區別，其中常溫下純水的介電常數大約為78.36 F/m，純油的介電常數為2.3 F/m左右，其有效介電常數可表示為：

式中

εr—混入水分的油液的介電常數；

D—水的百分率；

ε1—純水的介電常數；

ε2—純油的介電常數；

當含水率分別為0.125%、0.25%、0.5%、1%時，代入公式（2）,結果見表1所示。

表1 不同含水率情況下所對應的介電常數比值

通過上述分析可知，利用相關傳感器檢測出εr的數值便可以計算出水的百分率D。

3 EIS傳感器結構設計及工作原理

由于介電常數的測量受溫度、環境和在線監測工況等因素的影響，這也是目前阻礙在線監測技術應用的大障礙。為了解決溫度補償和油液取樣誤差等問題，我們設計了柱塞式電容傳感器，如圖2所示。

圖2 柱塞式電容傳感器結構圖

傳感器探頭由三個電極構成，即內電極2、中間電極5 和外電極7，外電極和內電極均為筒狀結構，其中外電極前端設置有開口，圓周方向設置有導流孔6，中間電極前端設置有注油孔并配置注油孔塞4，在兩電機之間便可以形成開放空腔。當被測油液流過空腔時便構成一電容器，用于測量油液的介電常數，通過注油孔提前注入對比油液后，中間電極和內電極便構成對比電容器[7]。

根據現場設備情況選擇合適的安裝位置，確保將傳感器探頭完全浸沒于被測油液中，這樣傳感器中的被測油液與對比油液始終處于相同溫度和相同工況中，因此解決了溫度、環境和在線監測工況等因素的影響，不需要額外的溫度補償和其他因素補償，便可在線監控在用油液的進水情況，保證了傳感器的檢測準確度。

根據含水油液介電常數的變化范圍，我們設計的傳感器內部電容器的輸出電壓與介電常數對應關系如圖3所示[8]。

圖3 電容傳感器輸出電壓與介電常數對應關系

4 檢測系統及現場安裝設計

4.1 檢測系統設計

精軋機軋輥箱密封狀態在線監控包括11 個潤滑監控模塊，其中10 個用于監測精軋機潤滑支路，每臺精軋機回油管路上各安裝一個傳感器，主油箱上安裝1個傳感器，如圖4所示。

圖4 系統潤滑監控模塊示意圖

潤滑監控模塊包括電容傳感器探頭電極,信號處理電路和采集控制變送電路。電容傳感器探頭電極安裝于軋機潤滑支路并浸入被測油液，該電容傳感器探頭電極與電容傳感器處理電路相連，處理電路輸出信號通過采集控制變送電路傳輸到微處理器及數據顯示和存儲裝置，系統接線圖如圖5 所示。

圖5 在線監控系統接線圖

系統采用的是單點采集、集中傳輸的方案，每個采集單元采集一路傳感器電壓信號，同時給傳感器供應DC5V/20mA的電源，各個采集單元之間互相隔離，以便在單個監測點出現漏水或者油箱含水超限時發出報警[9]。

4.2 現場安裝設計

根據監控要求將傳感器的安裝位置選擇在每臺軋機的回油管線上和共用油箱內，如圖6所示。

傳感器安裝在合適的位置非常重要，其能夠最小程度地減少探頭周圍空氣的滯留。如果在傳感器探頭周圍有氣泡或者氣穴生成，在測試時檢測到的將是氣體和油液混合后的特性。實際應用中，傳感器探頭最好能夠一直與穩定、持續流動的油液接觸，從而最大程度地真實反映出油液狀態。

圖6 在線電阻抗（EIS）含水率傳感器安裝位置示意圖

為了減小探頭周圍氣泡及油液流動狀態對測試精度的影響，同時要求傳感器不阻礙油液的流動，我們對回油管道和油箱進行了改造。

將安裝好柱塞式電容傳感器的三通管道作為一個整體加裝到精軋機的回油管道上，這樣當回油管道內油液處于非充滿狀態，也能保證傳感器探頭完全浸沒于被測油液中，保證了傳感器檢測準確，如圖7所示。

圖7 回油管道上傳感器安裝位置設計及現場安裝圖

根據油箱的特殊結構現狀，使用探桿將傳感器探頭通過油箱頂部氣孔深入油液底部，如圖8所示。

圖8 油箱上傳感器安裝設計圖

5 現場應用效果分析

將該系統應用于馬鋼長材事業部（北區）高速線材精軋機組，主監控界面如圖9所示。

根據前期計算和試驗，將傳感器采樣周期設定為60 s，當采樣周期前后含水率變化大于0.5%時，認定為密封已經損壞，并設定報警上限值為3%。

圖9 馬鋼高線精軋機含水率在線監控系統主界面

在線監控系統投入使用后，監測到24#精軋機軋輥箱雙唇密封損壞的過程，含水率變化曲線如圖10所示。

圖10 回油管道潤滑油含水率監控曲線

圖10顯示密封損壞之前，大部分時間含水率變化趨勢穩定，僅有輕微波動，總體小于0.15%；后期在短時間內上升到1%左右，然后持續了20 min 又上升到2%左右，之后快速增大超過3%報警上限值。說明精軋機雙唇密封一開始出現了輕微損壞，隨著生產的繼續損壞不斷加劇，造成漏水加大，含水率快速上升的情況。

現場根據在線監控系統報警情況立即停機更換軋輥箱，解體檢查更換下來的軋輥箱，發現雙唇密封已經嚴重損壞，證明了在線監控系統用于監測軋輥箱雙唇密封狀態是有效的。

6 結論

基于潤滑系統進水后潤滑油性能會產生變化的原理，設計一種電化學阻抗譜傳感器檢測出潤滑油中混入水量的數值，建立精軋機軋輥箱密封狀態在線監控系統，通過實時監測潤滑油中含水量的變化趨勢并通過預警提示檢修人員及時更換報警顯示的軋輥箱的雙唇密封，解決了無法及時判斷軋輥箱雙唇密封失效的問題。

通過在馬鋼高速線材生產線應用表明，該系統能夠實時監測出精軋機軋輥箱進水情況，及時發現軋輥箱的雙唇密封損壞問題。在提高設備精益管理，提升企業市場競爭力方面具有一定的推廣應用價值，