北京工業(yè)大學機電學院北京市先進制造技術(shù)重點實驗室 高立新

筆者從冶金企業(yè)成功案例、主要監(jiān)測診斷技術(shù)、企業(yè)管理層和執(zhí)行層在實施過程中容易發(fā)生的問題及對策、未來發(fā)展這幾個方面闡述了設備診斷技術(shù)在冶金行業(yè)的應用和發(fā)展。

冶金企業(yè)的主要關(guān)鍵設備有焦化和燒結(jié)廠風機，煉鐵廠高爐鼓風機，爐頂齒輪箱，高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置和皮帶運料機，煉鋼耳軸傾動機構(gòu)和大包回轉(zhuǎn)臺，高線、棒材和熱軋廠粗精軋機組，冷連軋和硅鋼機組，一些重要的電機、風機、齒輪箱、大型起重機、泵以及某些企業(yè)的礦山排巖機、大型挖掘機、港口門式起重機和發(fā)電機組等也至關(guān)重要。

一、國內(nèi)冶金企業(yè)設備診斷成功案例

1999年1月，發(fā)現(xiàn)高爐爐頂齒輪箱螺栓拉斷；2000年，判斷高線精軋機錐軸和輥軸零部件損壞；2006年2月，發(fā)現(xiàn)棒材廠16號軋機減速機錐箱軸承故障；2007年11月，判斷某大型鐵礦排巖車間破碎機回轉(zhuǎn)體隱患；2008年4月，發(fā)現(xiàn)冷連軋機五機架第五架傳動軸故障；2009年11月，發(fā)現(xiàn)高線減定徑機30架錐箱輸出軸軸系故障；2010年，發(fā)現(xiàn)煉鋼耳軸傾動機構(gòu)軸承早期磨損；2011年，發(fā)現(xiàn)高爐爐頂新齒輪箱回轉(zhuǎn)支承間隙小，影響運行。由上可見，設備診斷技術(shù)不僅可以預測故障隱患，在判斷設備制造裝配精度方面也可起到一定作用。

國內(nèi)冶金行業(yè)設備的診斷成功案例中，寶鋼可以追溯到1983年，部分設備在投產(chǎn)時就有診斷成功案例，此后每年均有各類成功案例，特別是在1996年開展設備狀態(tài)監(jiān)測診斷受控點工作后，每年均有數(shù)百項成功案例。武鋼自2002年開展基于設備診斷技術(shù)的“萬點受控”工程項目以來，已經(jīng)成功地在首鋼、河鋼等二十多個大中型企業(yè)推廣應用，積累各種成功案例達200余個。

二、常用監(jiān)測診斷技術(shù)

冶金機械設備監(jiān)測診斷技術(shù)已形成以振動監(jiān)測診斷、油樣分析、電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測和無損探傷為主，其他技術(shù)為輔的格局。

（1）振動監(jiān)測診斷技術(shù)

冶金企業(yè)以旋轉(zhuǎn)機械為多，這類機械故障所激發(fā)的振動多為橫向振動，通常是由其核心部件軸部件故障引起，軸部件故障信號大多為周期信號，準周期信號或平穩(wěn)隨機信號等。該類信號的分析方法目前最常用的是時域—頻域分析方法。時域波形是機械振動振幅的瞬態(tài)值隨時間延續(xù)而不斷變化所形成的動態(tài)圖像，時域信號分析的基本參數(shù)有峰值、均值、均方根值（有效值）、方差、方根幅值、平均幅值、偏度、峭度等。一般說來均方根值、方根幅值、平均值以及峭度均會隨著故障的發(fā)生和發(fā)展而增大。峭度、裕度因數(shù)和脈沖因數(shù)對于沖擊脈沖類的早期故障比較敏感，但隨著故障的逐漸發(fā)展，其值反而會下降，而均方根值的穩(wěn)定性較好，但對早期故障不明顯，故常將它們同時使用，以兼顧敏感性和穩(wěn)定性。在頻譜分析時，所關(guān)心的多是各種軸轉(zhuǎn)速的多倍頻率處以及轉(zhuǎn)速的非整數(shù)倍頻率處的峰值。通過分析頻譜中的軸速頻率的整倍數(shù)波峰可診斷如零部件不平衡、不對中、松動、軸彎曲和磨損等多種故障；不平衡、不對中這兩類故障給冶金設備帶來巨大損失，應當作為企業(yè)設備診斷的重點。

（2）應力應變檢測技術(shù)

機械設備發(fā)生失效并最終引發(fā)故障往往由其結(jié)構(gòu)的潛在局部損傷引起，結(jié)構(gòu)損傷從細小到擴張再到最終破壞是一個逐漸發(fā)展演變的過程。由于應變能使結(jié)構(gòu)隨機振動響應中小損傷信息得以“放大”，基于應力應變的檢測技術(shù)近年來引起關(guān)注并得到快速發(fā)展，廣泛應用于冶金等領(lǐng)域。

（3）聲發(fā)射檢測技術(shù)

聲發(fā)射傳感器和振動傳感器核心部件都是壓電元件，聲發(fā)射檢測技術(shù)不僅可以利用材料受載以彈性波的形式釋放應變能的現(xiàn)象來探測和識別材料內(nèi)部產(chǎn)生損傷或結(jié)構(gòu)變化的情況，還可以用來檢測機械零部件外表點蝕或剝落情況。該技術(shù)作為一種無損檢測方法已被廣泛應用于冶金、石油化工等眾多領(lǐng)域。由于其接收信號的頻率范圍寬（至少可達2～70kHz），靈敏度高，適用于探測結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)出的高頻應力波信號，其高頻特性可有效避開周圍低頻的噪聲，對機械設備(尤其是低速重載設備)或大型構(gòu)件可提供整體或局部快速檢測，及早發(fā)現(xiàn)故障隱患。

（4）磁記憶檢測技術(shù)

鐵磁學研究指出，磁彈性效應是指當彈性應力作用于鐵磁材料時，鐵磁體不但會產(chǎn)生彈性形變，還會產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的形變，從而引起磁疇壁的位移，改變其自發(fā)磁化的方向。當鐵制設備的某一部位在周期性負載和外部磁場的共同作用下，在該處會造成殘余磁感應強度的增長。

采用金屬磁記憶檢測技術(shù)能及時、準確地找出部件可能導致?lián)p壞的最大應力集中區(qū)域。檢測時不需要對被檢測對象進行專門的磁化，檢測后也無需進行退磁處理；不需要對金屬表面做專門的預處理，對表面有保護層的允許距離150mm進行檢測；無需耦合劑；它能夠檢測到金屬疲勞損傷和瀕臨損傷的狀態(tài)，在應力應變狀態(tài)評價與設備強度及可靠性分析、壽命預測方面有獨到的能力。這方面的研究和應用已初見成效。

（5）油液檢測技術(shù)

從潤滑油著手的設備故障診斷技術(shù)內(nèi)容包括：潤滑油物理化學指標變化；潤滑油在機體內(nèi)生成沉積物檢測；油顆粒污染度檢測（磨損顆粒，泄漏介質(zhì)）等。

理化性能指標主要是檢測潤滑油的酸值、水分、運動黏度、閃點等來檢測設備的潤滑狀態(tài)；應用光譜儀、鐵譜儀、顆粒計數(shù)器等可對潤滑油中攜帶的磨粒的尺寸、顏色、形貌、濃度等指標進行檢測，以此來判斷設備磨損狀態(tài)和磨損部位。通過定期采集油液系統(tǒng)摩擦副之后、油濾裝置之前，油箱加油口、放油口，專用放油閥的油樣，并對所取油樣或油脂進行分析來判斷是否需要換油和該設備是否存在故障隱患。

目前，油液分析技術(shù)更多地集中在多技術(shù)油液分析信息的融合故障診斷方法及油液分析信息與其他故障信息融合方法的研究上，而油液分析技術(shù)的智能診斷方法及在線檢測系統(tǒng)成為油液分析技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（6）油液測溫技術(shù)

齒輪箱和飛剪等設備的油溫過高會引起一系列問題。油溫變化引起潤滑油性能下降，包括黏度下降、加速老化變質(zhì)，并導致齒輪嚙合摩擦增大、磨損嚴重以及發(fā)生齒面膠合。而飛剪軸瓦溫升過高往往是軸與瓦摩擦所致。為了及時發(fā)現(xiàn)油溫變化，在易出故障部位安裝溫度傳感器并最好同時安裝振動傳感器，實時監(jiān)測油溫和振動變化，及時采取措施，避免故障發(fā)生。

（7）低速重載設備監(jiān)測診斷技術(shù)

煉鋼耳軸傾動機構(gòu)、高爐爐頂齒輪箱和粗軋機等低速重載設備的主要特點是工作轉(zhuǎn)速低且在運行中承受較大的沖擊載荷，背景噪聲大，早期故障特征難以提取，僅用振動方法很難準確判斷早期故障隱患。上述檢測技術(shù)的結(jié)合可以有效識別低速重載設備的早期故障。

實踐證明，對于正常磨損的設備，在設備運行早期，對故障特征較為敏感的是油液、聲發(fā)射和磁記憶檢測技術(shù)；在設備運行中期，對故障特征較為敏感的是振動和噪聲檢測技術(shù)；在設備運行后期，電流和溫度監(jiān)測技術(shù)對故障情況也很有效，應根據(jù)設備運行的不同階段，采用不同的檢測技術(shù)來排查設備故障隱患。

需要指出的是，多傳感器信息融合技術(shù)和小波分析等技術(shù)不僅適用于中高速設備故障診斷，對于低速重載設備故障也有一定的效果。

三、企業(yè)執(zhí)行層存在的問題及對策

（1）現(xiàn)場維護人員應能看懂頻譜圖。先學會看基頻，再學會看諧波和邊頻，最后學會看頻率結(jié)構(gòu)。

（2）準確出示診斷報告。設備維護人員應當根據(jù)培訓監(jiān)測診斷人員的國家標準，經(jīng)過專業(yè)組織機構(gòu)培訓，通過6～12個月的時間達到I級監(jiān)測診斷人員的水平，再用1～3年的時間達到Ⅱ級監(jiān)測診斷人員的水平，即可掌握做診斷報告的基本方法。

（3）分清故障發(fā)生的基本原因。在長期掌握監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上，從機械和電氣兩個方面分頭排查故障。

（4）全方位提高故障診斷準確率。以軸承故障為例，其主要故障形式是磨損和疲勞剝落，服從“浴盆曲線”，班組人員通過趨勢圖并在時域和頻域圖中尋找等間隔成分，可以發(fā)現(xiàn)60%以上的故障隱患。對于冶煉和軋鋼的絕大多數(shù)機械設備，通過“感官檢測＋在線/離線監(jiān)測系統(tǒng)＋責任心”，可達到80%以上的診斷準確率。企業(yè)設備維護人員、專業(yè)公司專業(yè)人員和專家三方會診，可以進一步提高準確率。

冶金設備故障的情況非常多，全面準確診斷設備故障難度較大，只有生產(chǎn)和維護人員共同實施基于設備診斷技術(shù)的點檢才能最大限度地掌握設備狀態(tài)，再加上多種維修模式并存的設備維修體制，才能最大限度地降低設備故障。

（5）提取低頻微沖擊信息。國內(nèi)外均有振動儀器可以提取到0.1Hz的故障特征頻率，其中聲發(fā)射儀器效果也非常好，低頻微沖擊信息提取已經(jīng)有許多成功案例。

四、企業(yè)管理層存在的問題及對策

（1）認為設備總是要壞的，監(jiān)測沒有用。2011年4月14日到4月22日，江南某高線廠精軋機檢修完畢，準備在48h后投入運行，北京某高校診斷人員在檢修前的振動在線監(jiān)測系統(tǒng)頻譜圖上發(fā)現(xiàn)錐箱Z3/Z4齒輪嚙合頻率和邊頻，該邊頻與Ⅱ軸軸頻相等，即報告廠方，重新開箱檢查，發(fā)現(xiàn)Z3齒輪沿軸向出現(xiàn)穿透性裂紋，立即更換后避免了一起惡性事故。

（2）認為設備一直沒出問題，降成本壓力大，不需要上監(jiān)測系統(tǒng)。某鋼廠用了6年的50t轉(zhuǎn)爐耳軸傾動機構(gòu)突發(fā)故障，停產(chǎn)196h，造成700萬以上的直接損失，遠超過6年來降低的成本。實際上這種間歇性低速重載設備的隱患是可以通過狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)診斷出來的。

（3）認為振動離線監(jiān)測可以取代在線監(jiān)測系統(tǒng)。在低端產(chǎn)品，例如普通型材和普通棒材等產(chǎn)品，由于裝備水平不高，用離線監(jiān)測系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)設備中晚期故障，如果專業(yè)人員水平較高，也可以發(fā)現(xiàn)一些高速設備的中晚期隱患。在中高端產(chǎn)品，例如鋼簾線、冷軋板、硅鋼板等，離線系統(tǒng)很難埔捉到故障早期特征；而且無法記錄軋制每一塊原材料的時刻，從而也就無法知道影響產(chǎn)品質(zhì)量的準確原因；更重要的是，某些新型復雜機電系統(tǒng)，不容許維護人員用手持式儀器靠近設備，例如煉鐵高爐爐頂齒輪箱附近煤氣大，冷連軋機組機架進行封閉式軋制等。所以，在軋制品種鋼或者新建具有國際競爭力生產(chǎn)線的企業(yè)，應有比例的投運在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)。

（4）認為建設新廠時已經(jīng)投入大量費用，再沒有資金投入，剛運行的新設備不需要上在線監(jiān)測系統(tǒng)。2008年9月17日凌晨4時左右，某新建熱軋廠點檢工人聽見粗軋機下接軸平衡軸承座處一聲異響，人工檢測出該部位溫度升高，由于測溫儀無法識別軸承故障，停車后又恢復轉(zhuǎn)車，該部位又聽到一聲異響，同時冒出大量黑煙，軋機停止運行，停機后發(fā)現(xiàn)該軸承嚴重燒損，多處融接在一起。由于下接軸軸頸燒損，僅在換上新接軸之前，熱連軋機R2下接軸平衡軸承的累計檢修時間就長達204h，直接損失高達4420萬元。而在承德鋼鐵集團公司熱軋廠，由于投入了在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅在試車階段就發(fā)現(xiàn)了制造廠的設備缺陷，且從投產(chǎn)至今從沒有發(fā)生過惡性機械故障。

五、冶金設備診斷技術(shù)展望

冶金設備機械零部件制造工藝、材質(zhì)、熱處理、裝配等因素未達到技術(shù)要求時，往往會引起異常振動、噪聲和溫升等，成為誘發(fā)故障的重要因素。針對冶金機械傳動系統(tǒng)的特點，對其進行動力學分析，將系統(tǒng)簡化為系統(tǒng)力學模型，通過建立運動微分方程組，并求解得到系統(tǒng)的固有頻率、扭振的角位移和扭振力矩，可以為正確使用維護設備、分析解決設備故障提供幫助。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，材料性能的提升，機械設備的可靠性越來越高，壽命越來越長，在允許的時間內(nèi)很難獲取足夠的失效數(shù)據(jù)，采用基于壽命數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)統(tǒng)計推斷方法進行可靠性評價難度較大。機械設備在使用過程中的性能退化數(shù)據(jù)中包含著大量的壽命信息，基于性能退化數(shù)據(jù)的可靠性分析技術(shù)在預測冶金設備故障方面具有很好的應用前景。

冶金企業(yè)比任何時候都更加需要設備智能診斷技術(shù)，基于案例和規(guī)則的專家系統(tǒng)將會快速發(fā)展，基于神經(jīng)網(wǎng)絡等各種技術(shù)的智能診斷系統(tǒng)也將逐步投入應用，國內(nèi)外科研單位和企業(yè)聯(lián)合開發(fā)將使各方盡早受益。

全員維護是設備診斷技術(shù)成功的保證，廠長要將預知維修納入日常工作進行督察，生產(chǎn)廠長在掌握設備運行狀態(tài)的基礎上安排生產(chǎn)，設備廠長依據(jù)監(jiān)測診斷數(shù)據(jù)維護設備，生產(chǎn)操作人員要及時發(fā)現(xiàn)隱患，設備維護人員要會分析判斷故障部位、損壞程度并預測壽命。

[1]邵毅敏，周平，劉靜.應變式二維加速度傳感器的研究與仿真.傳感器與微系統(tǒng).2011(30).

[2]蘇善斌.數(shù)學形態(tài)學在聲發(fā)射信號處理中的應用研究.北京工業(yè)大學碩士論文.2011，6.

[3]郭鋼，徐峰.磁記憶診斷技術(shù)在汽輪機葉片早期故障診斷上的應用.煉油與化工，2011，1(22).

[4]陳閩杰，曾安等.在線監(jiān)測—油液分析的未來之路.第11屆粵港機械電子工程技術(shù)與應用研討會論文匯編[C]，2010.

[5]聶志軍，高立新，胥永剛，羅輝，宮能春.低速重載設備聲發(fā)射技術(shù)檢測的現(xiàn)狀與發(fā)展.機械設計與制造，2008，(7).

[6]閻陽.基于性能退化參數(shù)的機械設備可靠性評價方法研究.北京科技大學碩士論文，2011，12.