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        振動狀態監測在機械設備故障診斷中的應用

        王建華,謝紅委

        (山鋼集團永鋒淄博有限公司鋼軋廠,山東淄博,255007)

          摘 要:永鋒淄博公司上線狀態監測儀器后開展減速機設備的狀態監測,通過各項設備故障診斷手段分析設備存在的故障隱患,對設備進行預防性檢查。迄今共進行了10次具有高針對性的設備預知維修,問題檢出率達到100%,將停機次數與停機時間控制在使用前的2/3以內,每年降低生產成本5000萬元。

          關鍵詞:機械設備;狀態監測;振動故障

          1 前言

          永鋒淄博公司鋼軋廠3條軋線設備有50臺不同傳動比減速機,常規巡檢中點巡檢人員主要憑感官經驗或依靠簡單儀器,無法做到數據量化或準確測量,不利于事故處理、分析、追責、改進等一系列后續措施的開展。2014年鋼軋廠上線了先進的狀態監測儀器,開展設備的狀態監測,對儲存、傳輸的監測數據利用時域頻譜、包絡譜等相應譜圖等故障診斷手段分析診斷設備存在的故障,對設備進行預防性檢查。迄今共進行了10次具有高針對性的設備預知維修,問題檢出率達到100%,保證了設備性能的高度穩定性,延長了設備零部件的使用壽命,提高了設備生產效率。

          2 設備狀態監測

          設備狀態監測是實現預知維修的基礎。準確、全面的設備監測信息是實現預知維修的可靠保證。設備狀態監測方式包括在線監測和離線監測。前者投資成本高,監測對象以關鍵設備為主;后者投資成本低,主要針對大量的散在分布的中小型設備。

          2.1監測機械選取原則

          在決定對哪些機械進行監測時,關鍵設備應有優先權。為了避免不可預知的和高昂代價的問題,下面的設備應當定期監測:如果損壞,維修費用昂貴、維修時間長、修理困難的機械;對生產或全廠運行關鍵的機械設備;那些經常發生損壞的機械;正在因可靠性被評估的機械;影響人類或環境安全的機械。

          2.2加速度傳感器的安裝

          許多機械包含旋轉機構。電動機、泵、壓縮機、風扇、皮帶運輸機、齒輪箱等都涉及到旋轉機構并在機械領域廣泛應用。許多旋轉機械設備由軸承支撐旋轉部件的重量,同時支撐旋轉運動與振動所產生的力,通常大部分的力由軸承支撐,因而軸承是損壞經常發生且最先癥狀發展的部位。振動測量通常在軸承處進行,把加速度傳感器安裝在軸承上或軸承附近。為確保測量的準確性并且保證人身的安全,加速度傳感器的安裝方法有如下指導原則:1)盡可能靠近軸承安裝。2)確信傳感器聯接牢固。傳感器與磁座的連接螺紋一定要牢固。一個安裝松動的傳感器因它本身的自由運動將產生扭曲的信號并給出錯誤的信息。

          傳感器安裝方法有很多,但依靠磁力的安裝手段最為常用,因為它兼顧了測量的可靠性和對用戶的便利性兩個方面。當測量各種設備時,可以提供牢固聯接,并可在最短時間內安裝和拆除傳感器。

          要確信傳感器被牢固聯接,磁座被放置的表面應當是平的。磁座應當安全的吸在表面上使傳感器指向預定的方向,如圖1所示。

          在堅固的物體上安裝加速度計,傳感器永遠不要安裝在機器的柔性部分,否則,頻譜將因柔性部件的拍動而畸變。傳感器永遠不要在輕的結構上使用,否則,傳感器和磁座的重量將改變結構的振動行為。

          3 設備故障診斷分析

          通過傳感器采集數據后需要對已有數據進行分析。為了了解和掌握設備在使用過程中的狀態,在設備基本不拆卸、不解體的情況下,根據檢測的數據和經驗的積累,來確定設備整體或局部是正常或異常,以便于早期發現設備故障及其原因并能早期預報設備故障發展趨勢,此項技術也即設備故障診斷分析。

          3.1常見振動故障

          在機械故障的眾多診斷信息中,振動信號能夠更迅速、更直接地反映機械設備的運行狀態。據統計,70%以上的故障都是以振動形式表現出來的。

          常見振動故障分為強迫振動類故障和自激振動類故障。其中強迫振動類故障包括不平衡、不對中、永久彎曲、松動、齒輪故障等;自激振動類故障包括油膜渦動、油膜振蕩、氣隙振蕩、內腔積液、轉子內阻、徑向與軸向摩擦等。

          3.2機械設備常見的振動故障診斷分析要點

          根據常用設備歷史振動監測數據并結合2a來的振動監測數據作綜合分析,軋制機械設備存在的主要振動故障有五種類型:軸系質量不平衡故障60%,軸系對中不良故障13%,軸系松動磨損故障12%,軸承故障11%,其他故障4%。通過對各類故障類型診斷分析,歸納發現不同類型具有各自特有屬性,總結分析判斷的要點如下。

          3.2.1轉子質量不平衡

          不同的材料密度、螺栓尺寸的變化、鑄件的氣穴、丟失的平衡重塊、不正確的平衡措施、不均衡的電動機繞組以及斷裂、變形、腐蝕或臟的扇葉都會造成機器部件的不平衡。對于不平衡問題,通常在相鄰且位置相差90°的測點上,測量得到的振動相位相差約90°。如果此相位角較大地偏離90°,意味著存在著除不平衡以外的其他問題。說明存在不平衡問題的最有力的指示是比較在支撐轉子的兩個軸承座上測量得到的相位值。診斷中不平衡具有典型特征:1)具有較高的徑向振動。時域波形和頻譜圖上均具有穩定的1XRPM分量,在1XRPM上的幅值隨轉速穩定增加,在2XRPM、3XRPM等處幅值較低。2)具有較低的軸向振動。3)不平衡對轉速的變化最敏感(與轉速平方成正比)。

          3.2.2轉子對中不良

          不對中分三種情況:平行不對中、角度不對中、綜合不對中。大多數的不對中問題是平行不對中和角不對中同時存在,單純的角不對中或平行不對中是很少見的。不對中問題的振動相位特點是,在聯軸節兩側的振動相位差接近180°。振動幅值和相位角的測量應該在聯軸節相鄰的兩個軸承座的4個象限位置進行。為了檢測不對中情況的存在,要測量的兩個軸承座應該是處在聯軸節的兩側。徑向振動相位對軸平行不對中問題比較敏感,而軸向振動相位對軸角不對中問題比較敏感。在進行振動相位測量比較時,重要的一點是要遵守振動傳感器的安裝方向的規定。若振動傳感器安裝方向反,會導至180°的相位移動,從而導至不對中的錯誤指示。診斷中不對中會表現出典型特征:1)具有較大的軸向和徑向振動,在1XRPM,2XRPM或3XRPM處會出現穩定峰值,在4~10XRPM處諧波成分較低,時域波形中沒有“g”形沖擊;2)不對中振動隨負荷的增加而成正比增加,但轉速影響不大。

          3.2.3松動磨損

          機械松動分為結果松動和轉動部件松動,松動本身不是純粹的故障,不會直接產生振動,但起到放大故障的作用。因地腳螺栓松動而引起的振動,方向特征很明顯,表現在垂直方向很強烈;由于零件配合松動引起的振動,其方向特征不明顯,但此時機械對其他干擾的反應卻很靈敏,若此時轉子存在輕度不平衡或不對中時就會使振動顯著增大;滑動軸承的軸瓦如果存在松動也會引起垂直方向的振動增大。故障診斷中具有較大的徑向的振動,具有較強的諧波存在,特別是在3~10XRPM處,還可能出現次諧波或混疊諧波,時域波形顯示出雜亂和沖擊;具有較低或正常的軸向振動,如果是止推軸承出現了松動則會出現較大的軸向振動。

          3.2.4軸承故障

          軸承的特征頻率與故障具體部位、軸承零件幾何尺寸、軸承工作轉速等因素有關系。軸承在運轉過程中由于各種原因引起損壞,如裝配不當、潤滑不良、水分異物侵入、腐蝕和過載等可使軸承過早損壞。主要表現為疲勞剝落、磨損、塑性變形、銹蝕、斷裂、膠合、保持架損壞等。當軸承表面損傷時,軸承及滾動體旋轉就會輪番碾壓這些表面損傷處,高速的內圈旋轉會使這種碾壓產生沖擊,故障沖擊引起的縱波在材料尚未發生形變之前就以聲速向外發射,有著陡峭的前沿波形和極其豐富的頻譜。實際檢測中滾動軸承頻譜具有以下特點:明顯的具有不同峰值的諧波成分;能量上會出現寬帶波峰;時域波形可以看出明顯的沖擊波形;早期的故障表現為低幅值的振動。診斷時注意觀察徑向振動(如果軸向有負載需要查看軸向振動),可能會出現軸承故障頻率的諧波,邊帶。

          3.2.5齒輪缺陷

          在傳動中,一般存在嚙合頻率和自然頻率。此外,由于齒輪的頻率分量常被齒隙、偏心、載荷和其他缺陷造成的脈沖所調制,從而出現旁瓣或邊帶。一般來說,當在嚙合頻率處有峰值時,齒輪油存在問題;當出現嚙合頻率的高次諧波時,劣化程度加劇;當出現邊帶且邊帶峰值達到一定值時,齒輪到了失效的邊緣。診斷時表現為在嚙合頻率處有較高的徑向振動,并帶有調制邊帶;具有較大的軸向振動,對螺旋齒輪、斜齒輪或人字齒輪軸向振動的頻率和徑向相同。

          4 結語

          利用設備狀態監測,能夠比較有效地進行設備缺油、松動、不平衡、不對中等故障的預警和判斷,避免故障的進一步擴大,避免嚴重生產事故的發生;對故障原因或故障部位有針對性地開展檢修工作,能縮短維修時間,降低維修費用。

          自2014年投入運行至今,通過預知維修,將停機次數與停機時間控制在使用前的2/3以內,降低了累計停產造成的經濟損失,減少了備件消耗和備件庫存,顯著降低備件購置費,縮短了維修時間,每年可降低生產成本5000萬元。

        來源:《山東冶金》2016年第6期

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