湯 偉 劉慶立 饒智逵 王孟效

(1.陜西科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化研究所，陜西西安，710021;2.陜西西微測(cè)控工程有限公司，陜西咸陽(yáng)，712081)

在堿性過(guò)氧化氫化學(xué)機(jī)械漿 (APMP)生產(chǎn)過(guò)程中，盤(pán)式磨漿機(jī) (以下簡(jiǎn)稱盤(pán)磨機(jī))是典型的機(jī)、電、液一體化裝備，也是APMP生產(chǎn)線中最重要的關(guān)鍵設(shè)備之一［1］。APMP生產(chǎn)線中配備的高濃盤(pán)磨機(jī)功率一般都在1000 kW以上，造價(jià)和能耗都非常大，一旦出現(xiàn)故障，帶來(lái)的損失很大。由于高濃磨漿系統(tǒng)通常包括磨漿子系統(tǒng)、喂料子系統(tǒng)、潤(rùn)滑子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)及電氣控制子系統(tǒng)等，并伴隨有蒸汽壓力進(jìn)入［2-3］，所以其故障帶有典型的多對(duì)多故障模式，即一種故障可能由多種原因造成，或者一種故障模式造成多種故障征兆，并且在故障診斷過(guò)程中所采樣的數(shù)據(jù)是局部信號(hào)并非全局信號(hào)［4-5］。另外，在盤(pán)磨機(jī)故障診斷系統(tǒng)中，所需要判定的故障模式以及其狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要是漸進(jìn)式的，為了保證磨漿質(zhì)量以及故障診斷的快速性，需要排除外圍輔助系統(tǒng)失效或周邊故障的影響［6-7］。因此，大功率盤(pán)磨機(jī)故障診斷是一個(gè)重要的研究課題。

盤(pán)磨機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的多種參數(shù)，如振動(dòng)、溫度、壓力、噪聲、電流等包含有故障信息，而具體選擇哪種參數(shù)，需從成本及適用性兩方面來(lái)考慮。根據(jù)盤(pán)磨機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)及機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本課題從振動(dòng)特征入手，討論盤(pán)磨機(jī)的常見(jiàn)故障特征，通過(guò)對(duì)盤(pán)磨機(jī)的振動(dòng)信號(hào)分析得出盤(pán)磨機(jī)的故障特征，再根據(jù)故障特征判定盤(pán)磨機(jī)的故障原因，并研究排除故障的策略。

1 大型盤(pán)磨機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1 盤(pán)磨機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于高濃磨漿系統(tǒng)而言，常見(jiàn)的盤(pán)磨機(jī)有單盤(pán)磨漿機(jī)、雙盤(pán)磨漿機(jī)、三盤(pán)磨漿機(jī)以及錐形磨漿機(jī)等［8］。本課題研究的盤(pán)磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示［6］。該盤(pán)磨機(jī)由磨體、磨片、主軸、軸承、液壓進(jìn)退刀裝置、聯(lián)軸器、機(jī)座、電機(jī)等組成。為了達(dá)到減振效果，大型盤(pán)磨機(jī)通常在底部以剛性支架支撐，同時(shí)為了保證電機(jī)與盤(pán)磨機(jī)保持同步性，需要將電機(jī)與盤(pán)磨機(jī)固定在一起，并在地面上加防振墊。按照這樣的安裝方式，絕大部分振動(dòng)都可被抵消［4］。盤(pán)磨機(jī)的主軸連接著動(dòng)盤(pán)，定盤(pán)固定在磨漿室內(nèi)并且留有進(jìn)料口;轉(zhuǎn)子系統(tǒng)靠?jī)蓚€(gè)滑動(dòng)軸承支撐，兩個(gè)滑動(dòng)軸承承受徑向和軸向的雙向載荷;磨盤(pán)間隙通過(guò)液壓缸帶動(dòng)磨盤(pán)移動(dòng)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)與轉(zhuǎn)軸之間通過(guò)聯(lián)軸器連接。

2 盤(pán)磨機(jī)振動(dòng)與故障特征

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)伴隨振動(dòng)，正常運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)機(jī)械會(huì)產(chǎn)生特有的規(guī)律振動(dòng)，而當(dāng)設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)故障、零部件有缺陷、裝配和安裝情況發(fā)生變化時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)的振幅值、振動(dòng)形式以及頻譜成分均會(huì)發(fā)生變化。不同缺陷和故障引起的振動(dòng)方式也不同。通過(guò)振動(dòng)的測(cè)量分析，可以找出故障信號(hào)的異常振動(dòng)，這些異常振動(dòng)常常包括振動(dòng)位移的峰值、振動(dòng)速度的加快以及振動(dòng)信號(hào)的頻域分解有奇異頻率等［9］，因而可準(zhǔn)確判斷設(shè)備內(nèi)部隱藏的缺陷及其發(fā)展情況，有利于及時(shí)檢修，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并防止故障或者缺陷蔓延。盤(pán)磨機(jī)的故障特征就可以通過(guò)其振動(dòng)的頻率特征、峰值特征等來(lái)表示。目前設(shè)備的振動(dòng)故障分析中，以振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析應(yīng)用最多也最成熟，本課題基于振動(dòng)的頻率特征分析來(lái)表征盤(pán)磨機(jī)的故障特征。

2.1 盤(pán)磨機(jī)振動(dòng)特征

振動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化量。簡(jiǎn)諧振動(dòng)通常被認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最基本、最常見(jiàn)的振動(dòng)形式，其按正弦或余弦規(guī)律變化，如圖2所示。簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程可以寫(xiě)為式 (1)。

式中，y為振動(dòng)位移，A為振動(dòng)幅值，φ為振動(dòng)初始相位，ω為圓頻率，f為振動(dòng)頻率，T為周期。振動(dòng)幅值反映了振動(dòng)大小，振動(dòng)頻率反映了振動(dòng)量動(dòng)態(tài)變化的快慢程度，振動(dòng)初始相位反映了信號(hào)在t=0時(shí)刻的初始狀態(tài)。

圖2 簡(jiǎn)諧振動(dòng)

盤(pán)磨機(jī)的實(shí)際振動(dòng)信號(hào)由大量不同圓頻率ωi、振動(dòng)幅值A(chǔ)i和振動(dòng)相位φi的簡(jiǎn)諧分量合成，見(jiàn)式(2)。圖3為一組振動(dòng)信號(hào)波形的分解實(shí)例。

式 (2)中的頻率為振動(dòng)信號(hào)頻率，與盤(pán)磨機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。通常在頻譜分析中所說(shuō)的倍頻則是指存在與設(shè)備轉(zhuǎn)速頻率成多少倍關(guān)系的頻率分量。

圖3 振動(dòng)信號(hào)波形的分解

圖4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡示意圖

在振動(dòng)信號(hào)分析中，當(dāng)前使用最多的方法是頻譜分析法，利用快速傅里葉變換可以分析出復(fù)雜振動(dòng)所包含的頻率成分。通常，某種特定的故障必然具備相應(yīng)的頻率特征，例如:轉(zhuǎn)子不平衡表現(xiàn)的特征頻率為工頻，而通過(guò)頻譜分析可以找出哪個(gè)頻率存在大的峰值，也就可以判斷該頻率特征是否存在［10］。

盤(pán)磨機(jī)由大功率的同步電機(jī)帶動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)、定盤(pán)擠壓并摩擦纖維，同時(shí)由液壓推進(jìn)控制進(jìn)退刀，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺旋推進(jìn)器進(jìn)料。盤(pán)磨機(jī)異常振動(dòng)的原因有多種，如旋轉(zhuǎn)部件的缺陷、損壞以及運(yùn)行過(guò)程中壓力不穩(wěn)、出口堵塞、磨刀損壞等情況，而在磨漿過(guò)程中的進(jìn)退刀控制過(guò)程也會(huì)引起振動(dòng)的變化。

引起盤(pán)磨機(jī)異常振動(dòng)的原因大致可分為以下五大類(lèi)［11］。

(1)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡。主要包括:轉(zhuǎn)軸彎曲、軸與軸孔間隙過(guò)大、磨片磨損等三個(gè)方面。轉(zhuǎn)軸彎曲會(huì)使轉(zhuǎn)軸在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中重心不平衡而使振動(dòng)加劇，軸與軸孔之間的間隙過(guò)大則使支撐受力不平衡并產(chǎn)生異常振動(dòng)，磨片的損壞也會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)重心不對(duì)中，在振動(dòng)信號(hào)中會(huì)發(fā)現(xiàn)異常頻率，當(dāng)然磨齒損壞位置的不同，頻譜分析所得到的異常頻率也不同，如圖4所示。

(2)動(dòng)盤(pán)不平衡。動(dòng)盤(pán)加工精度不夠，致使重心不平衡、磨齒損壞等。

(3)不對(duì)中故障。主要包括動(dòng)定盤(pán)的不對(duì)中以及電機(jī)與動(dòng)盤(pán)聯(lián)軸器之間的不對(duì)中。聯(lián)軸器不對(duì)中是由于電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)盤(pán)磨機(jī)動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)聯(lián)軸器出現(xiàn)不平衡時(shí)，電機(jī)拖動(dòng)力矩不平衡，從而導(dǎo)致振動(dòng)異常;動(dòng)定盤(pán)的不對(duì)中則會(huì)誘發(fā)磨漿過(guò)程中受力不均衡，從而引起振動(dòng)，如圖5所示。

(4)磨漿室有異物。若動(dòng)定盤(pán)之間有硬物，由于動(dòng)定盤(pán)之間的間隙很小，當(dāng)有硬物夾在動(dòng)定盤(pán)之間時(shí)，動(dòng)盤(pán)與定盤(pán)的間接接觸會(huì)導(dǎo)致動(dòng)盤(pán)受力不均勻，從而產(chǎn)生異常振動(dòng)，并伴隨異常噪聲。

圖5 動(dòng)定盤(pán)不對(duì)中

(5)螺旋送料故障。由盤(pán)磨機(jī)結(jié)構(gòu)可知，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，磨漿室內(nèi)充滿纖維，當(dāng)出漿口出漿不順暢時(shí)，磨漿室內(nèi)壓力不穩(wěn)定時(shí)，盤(pán)磨機(jī)的轉(zhuǎn)軸就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)異常。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，并與現(xiàn)場(chǎng)工程師的多次交流發(fā)現(xiàn)，盤(pán)磨機(jī)故障以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡情況最多。下面通過(guò)振動(dòng)力學(xué)方法，分析轉(zhuǎn)子不平衡情況下的振動(dòng)特征頻率。

根據(jù)盤(pán)磨機(jī)結(jié)構(gòu)建立盤(pán)磨機(jī)不平衡情況下的振動(dòng)機(jī)理模型，如圖6所示。突變力的變化使得質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不重合。偏心距離R指的是旋轉(zhuǎn)過(guò)程偏離轉(zhuǎn)盤(pán)質(zhì)心的距離，轉(zhuǎn)軸的軸剛性強(qiáng)度為K，過(guò)程中的阻尼系數(shù)為Z，轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)速為n(r/min)，轉(zhuǎn)子質(zhì)量為M，則旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的離心力:

其中，轉(zhuǎn)子的角速度頻率ω=2πn/60。

圖6 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向的力矩，一個(gè)是轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的向心力，另一個(gè)是與向心力垂直的力，其中與向心力垂直的力有纖維擠壓力等。

式中，F(xiàn)r為纖維擠壓力。實(shí)際上，因?yàn)楸P(pán)磨機(jī)受周?chē)w維擠壓，一般認(rèn)為抵消掉了纖維擠壓力。

由于盤(pán)磨機(jī)的動(dòng)盤(pán)慣性力加上軸向彈性力等于偏心的離心力，結(jié)合上述振動(dòng)分析基礎(chǔ)知識(shí)可以得到振動(dòng)方程為式 (4)。

式中，y為振動(dòng)位移。對(duì)式 (4)進(jìn)行歸一化處理得式 (5)。

式中，阻尼系數(shù)變?yōu)?

可以得到固有頻率為:

而由轉(zhuǎn)動(dòng)頻率所導(dǎo)致的激振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)速頻率［10，12］。

通過(guò)式 (6)對(duì)式 (5)進(jìn)行解析得到式 (8)。

從式(8)中可以看出，為故障振動(dòng)的振動(dòng)頻率特征分量，Ysin(ωtψ)為穩(wěn)態(tài)解，是盤(pán)磨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)固有的受迫振動(dòng)。

對(duì)Ysin(ωt－ψ)進(jìn)行頻域變換得到式 (9)。

根據(jù)式 (9)可以得到:一種故障對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率特征有多種。則是盤(pán)磨機(jī)不平衡故障的振動(dòng)頻率特征分量。

2.2 盤(pán)磨機(jī)故障種類(lèi)

通過(guò)上述分析和查閱許多文獻(xiàn)以及現(xiàn)場(chǎng)了解，總結(jié)出盤(pán)磨機(jī)的主要故障有動(dòng)定盤(pán)不對(duì)中、磨片碰磨、磨齒損壞、主軸彎曲、聯(lián)軸器不對(duì)中、軸承損壞、軸承與軸間隙過(guò)大、出漿口堵塞、進(jìn)料不穩(wěn)定等9種，這些故障可以通過(guò)采集和分析盤(pán)磨機(jī)的機(jī)械振動(dòng)、噪聲、溫度、主電機(jī)電流和潤(rùn)滑液的成分等信號(hào)信息獲得。

式中，H(ω)為幅頻響應(yīng)函數(shù)，表示振動(dòng)幅度隨受迫振動(dòng)頻率與自激振動(dòng)頻率之間的比值關(guān)系;ψ(ω)為相頻響應(yīng)函數(shù)，ω/ωn≈1出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)。由式(6)～式(9)可知振動(dòng)幅度與偏差向心距離、質(zhì)量以及轉(zhuǎn)速剛度等都有關(guān)聯(lián)。而盤(pán)磨機(jī)動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于磨齒損壞程度不一，致使轉(zhuǎn)子質(zhì)量不同，磨齒損壞位置不同導(dǎo)致偏心距離不同，轉(zhuǎn)軸彎曲程度不同以及軸承與軸間隙過(guò)大引起偏心距離不同。這些都會(huì)使受迫振動(dòng)頻率的故障頻率有所不同。這也從側(cè)面說(shuō)明

3 實(shí)際數(shù)據(jù)分析

以浙江某造紙廠的盤(pán)磨機(jī)軸承實(shí)際振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)所作的頻域功率譜圖如圖7所示，采樣頻率1200 Hz。采用的傳感器為振動(dòng)位移傳感器，采樣方向?yàn)楸P(pán)磨機(jī)軸承座的徑向。檢修前盤(pán)磨機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)磨漿質(zhì)量不好和振動(dòng)加劇的現(xiàn)象。

圖7 傅里葉頻譜對(duì)比圖

由圖7中的對(duì)比可以看出，檢修后，由于通過(guò)設(shè)備的維護(hù)與調(diào)試檢修，盤(pán)磨機(jī)在良好狀態(tài)下運(yùn)行;此時(shí)盤(pán)磨機(jī)存在的故障特征最少，從圖7(a)可以看出其頻率分量主要集中在低頻段，而且在200 Hz以后的頻率分量非常小，振動(dòng)能量主要集中在低頻部分。設(shè)備檢修前，所測(cè)數(shù)據(jù)頻譜分析數(shù)據(jù)顯示在200～400 Hz之間，都存在較大的頻率分量，而且設(shè)備振動(dòng)信號(hào)主要集中在200 Hz后的高頻部分，200 Hz以下主要集中在100 Hz左右，也就是兩倍供電電源頻率以及一倍供電頻率的50 Hz處左右。這里，為了更為細(xì)致地看出頻率功率分布情況，對(duì)頻率譜進(jìn)行小波包分解，采用DB5小波包進(jìn)行三層小波包分解，所得結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8可以看出，檢修后正常的盤(pán)磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)主要分布在低頻部分，也就是說(shuō)振動(dòng)信號(hào)頻域分解的低頻部分多，而高頻部分相對(duì)較少。但是從圖9中可以看出，小波分析更為細(xì)致，在小波包的高頻段將信號(hào)分解出頻率在180、200、300、320、410、480 Hz左右都存在信號(hào)分量。仿真結(jié)果表明，振動(dòng)信號(hào)的小波包分析技術(shù)較傳統(tǒng)的傅里葉變換更能完整地分離出表征故障的頻率特征分量。

圖8 正常信號(hào)小波包分解頻譜圖

圖9 故障信號(hào)小波包分解頻譜圖

由圖8和圖9中P132與P232的對(duì)比可以看出，主要的奇異頻率分布在220、235、286 Hz 3個(gè)頻率分量左右;由P236與P136的對(duì)比可以看出，奇異頻率分布在220、236、286、302 Hz 4個(gè)奇異點(diǎn)上。綜合上述可以看出:檢修前盤(pán)磨機(jī)存在的故障特征頻率在220、236、286、302 Hz的4個(gè)分量。

從振動(dòng)信號(hào)小波包能量熵分布圖 (見(jiàn)圖10)可以看出，檢修后正常的盤(pán)磨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)都集中在低頻部分，而出現(xiàn)故障的盤(pán)磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)在第三和第七頻段存在著較大的奇異特征，所以通過(guò)盤(pán)磨機(jī)的振動(dòng)頻域分解可以凸顯出盤(pán)磨機(jī)的故障特征。

圖10 小波包能量熵分布對(duì)比圖

4 結(jié)論

隨著使用時(shí)間的增加，盤(pán)磨機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中或多或少都會(huì)存在故障或隱含故障的狀態(tài)。結(jié)合盤(pán)磨機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行過(guò)程，得出盤(pán)磨機(jī)異常振動(dòng)主要原因有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡、動(dòng)定盤(pán)不對(duì)中、電機(jī)與動(dòng)盤(pán)聯(lián)軸器之間的不對(duì)中、軸承損壞、軸承與轉(zhuǎn)軸間隙過(guò)大、出漿口堵塞、進(jìn)料不穩(wěn)定等。通過(guò)力學(xué)分析與振動(dòng)方程，得到盤(pán)磨機(jī)最常見(jiàn)故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡情況下的振動(dòng)頻率特征為:

通過(guò)對(duì)盤(pán)磨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)盤(pán)磨機(jī)出現(xiàn)故障，但是無(wú)法更為細(xì)致地凸顯振動(dòng)特征頻率。而基于小波包分解技術(shù)的振動(dòng)信號(hào)分析能夠有效地找到表征盤(pán)磨機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡、軸承故障、電機(jī)與轉(zhuǎn)軸不對(duì)中等故障的頻域特征以及隱含故障的特征，在盤(pán)磨機(jī)故障診斷中有一定的借鑒意義。

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