基于振動監測的水泥立磨故障診斷分析

秦少鋒，水 龍

（1.杭州安脈盛智能技術有限公司，浙江杭州 310051；2.西安寄云科技有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

隨著改革開放的進一步深化，基建項目繁多，水泥行業行情暴漲。為提高生產效率，水泥廠產線高度自動化。為保證生產連續平穩，業內對設備的可靠性提出了更高的要求，各生產企業紛紛尋求變革突破，探尋最新科技。但是水泥廠旋轉設備類型多，轉速范圍廣（10～3000 r/min）且部分工藝現場環境惡劣，傳統的點巡檢、離線診斷已經難以適應當前生產企業的需求。

隨著物聯網技術的發展，故障診斷技術結合最新的物聯網、大數據等先進科技，形成了以無線傳感器、邊緣計算、云平臺三維一體的新一代PHM（Prognostics Health Management，故障預測與健康管理）技術，能夠通過機理分析、機器學習等先進技術，實現對生產企業數以萬計的設備進行全生命周期狀態監測。

但是水泥廠普遍存在臺賬信息不全問題，部分設備因多次技改等原因錄入信息與實際不符，另外設備學習需要大量的案例支撐，通過在線狀態監測分析工具判別復雜設備故障仍是當前狀態監測行業的常態。

1 水泥廠減速機監測現狀

水泥廠主要旋轉設備中減速機數量最多，分布在廠區的各個工藝區間，并且備機數量少或沒有備機。對減速機實施監測狀態尤為重要。

減速機在運行中，其運行狀態與故障的征兆主要由溫度、潤滑油中磨粒的含量及形態（鐵譜技術）、減速機的振動及輻射的噪聲、齒輪傳動軸的扭振和轉短、齒輪齒根應力分布等構成。但是由于工業現場測試的條件、分析技術以及資金所限，相對來講振動和噪聲（特別是振動）是目前公認的最佳征兆提取量，它對減速機的狀態變化反映迅速、真實、全面，能很好地反映絕大多數齒輪、軸承和軸系故障的性質、范圍，并且有很多先進有效的分析方法可供選用[1]。

目前，振動監測常用分析工具包括幅值趨勢分析、歷史對比分析、時域分析、頻譜分析、包絡分析、倒頻譜分析等。針對水泥磨減速機的特點和常見故障形式，采用在線振動監測提取設備運行振動參數數據，通過監測系統的幅值趨勢變化、時域、頻域和包絡實現對減速機狀態的監測與診斷[2]。

2 水泥立磨減速機參數及測點布置

某廠水泥立磨減速機的生產廠家為重齒機械有限公司，型號JLP330B，輸入轉速為990 r/min，速比38.293:1（圖1）。

圖1 水泥立磨現場

設備的振動測點一般選擇3 個方向，分別是水平（H）、垂直（V）、軸向（A）進行測量。因為設備結構不同，不同的故障在不同的方向上表現不一樣[3]。綜合客戶的要求，該減速機測點布置如圖2 所示。

圖2 減速機測點布置

由于現場環境限制，傳感器均按照在減速機殼體表面。結合現場實際情況，傳感器選用因聯無線振動溫度一體式傳感器：頻響1～10 Hz（±1 dB），采樣率25.6 kHz，量程為±50 g，工作溫度-40～70 ℃。

3 數據分析

2019 年7 月16 日，減速機輸入軸驅動端H 包絡幅值開始增大，趨勢上升明顯，速度與加速度幅值上升不明顯，其余測點振動幅值上升較小。

在圖3 的輸入軸驅動端H 包絡頻譜圖中，存在明顯的213.125 Hz 倍頻，同時底噪抬升。從圖4 的加速度波形圖中，也能看到明顯的213.125 Hz 間隔沖擊。根據客戶提供的軸承型號29348E，查詢該軸承的故障頻率，發現內圈故障頻率為轉頻的12.9 倍，即213 Hz，判斷29348E 軸承內圈存在故障。

圖3 水泥磨減速機輸入軸驅動端H 包絡趨勢圖

圖4 水泥磨減速機輸入軸驅動端H 包絡頻譜圖

2019 年8 月28 日，客戶安排停機，輸入軸解體檢修，發現軸承滾動體存在明顯的磨痕，內圈也磨損嚴重（圖5）。檢查后更換輸入軸軸承。

圖5 水泥磨減速機輸入軸驅動端H 加速度時域圖（2019-08-06 09:08:47）

2019 年7 月16 日，包絡幅值趨勢上升。2019 年8 月28 日停機檢修，檢修后包絡幅值正常、趨勢平穩（圖6～圖8）。在故障的早期階段包絡幅值上升較快，隨后包絡值開始下降[4]；但由于是減速機高速軸軸承故障，軸承劣化速度也很快。本次故障中溫度全程基本無變化，但包絡幅值變化較大、反應靈敏，說明包絡解調技術在軸承診斷故障中優勢所在[5]。

圖6 水泥磨減速機輸入軸解體情況

圖7 水泥磨減速機輸入軸驅動端H 包絡趨勢

圖8 水泥磨減速機輸入軸驅動端H 溫度趨勢

4 結論

相比于油液、聲發射等技術，振動監測是一種非常有效且經濟的狀態監測方式，在水泥磨減速機輸入軸軸承故障早中期包絡幅值變化明顯。此次軸承故障中，傳感器的溫度監測沒有變化，反映出溫度是一種比較滯后的監測手段。水泥廠存在大量的減速機設備，振動監測是一種非常有效的方式。