左家信,胡立新

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 無錫 214429）

低速重載軋機齒輪箱HD高清故障診斷方法應用研究

左家信,胡立新

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 無錫 214429）

本文介紹了常規(guī)診斷方式的局限性和高清診斷方法的特點，從技術上和應用方面全面闡述低速重載齒輪箱診斷的要點。

振動；加速度；低頻；HD高清分析方法

隨著企業(yè)生產(chǎn)中機械設備控制和結構變得越來越復雜，自動化、智能化水平越來越高，設備可靠運行是企業(yè)的迫切需要。通過對機械設備實施現(xiàn)代的在線監(jiān)測，對設備的故障發(fā)展進行早期診斷，預知故障發(fā)生趨勢，找出故障發(fā)生的原因，采取適當、有效的措施進行維修保養(yǎng)，避免設備的突然停機，確保設備安全經(jīng)濟地運轉(zhuǎn)。

1 軋機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術存在的問題

冶金企業(yè)普遍采用振動測試技術來分析軋機齒輪箱的故障，并且在一些軋機齒輪箱上進行應用。但是，通過大量的數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，能取得較好效果的，基本轉(zhuǎn)速在50轉(zhuǎn)/分鐘以上的齒輪箱。查看大量的振動技術資料，并結合生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)：（1）一般對于低頻振動測量，最常用的方法是測量振動加速度，加速度值會隨轉(zhuǎn)頻的減少而減小。（2）設備轉(zhuǎn)速低，設備上振動表現(xiàn)為低頻信號比較突出，而低頻振動信號分析受到測量儀器的能力限制，低轉(zhuǎn)速會導致故障振動信號頻率也會很低，而傳感器的高通濾波器會將1HZ或者2Hz以下的頻率信號當作噪聲過濾掉，再加上受到環(huán)境噪聲的影響，使得振動分析效果變得很差。雖然一些儀器生產(chǎn)廠家號稱自己公司有超低頻的振動傳感器，但是實際使用中其穩(wěn)定性和可靠性比較差，測量和分析結果往往不能被客戶接受。（3）沖擊性工況的瞬態(tài)性問題，每次沖擊的時間較短，比如軋機咬鋼時，鋼坯對軋輥造成巨大的沖擊，這個沖擊造成傳感器產(chǎn)生較大的影響，在頻譜上產(chǎn)生大量莫名其妙的沖擊信號，給分析故障增加了難度。（4）由于軸承故障點產(chǎn)生的沖擊能量小，響應頻率低，激起不來高的頻率成分。

對于大于50r/min以上設備采用振動測量時，由于振動相對具有較大的能量，并且短周期，應用振動分析可以相對比較容易進行故障診斷；對于低于50r/ min的設備來說，由于振動能量小而且周期長，因而診斷故障也會很困難。長期以來對低頻乃至超低頻信號 (≤1Hz)是許多國內(nèi)外測量分析儀器的難點。為了捕捉振動信不失真號，必須采樣時間較長。采樣線數(shù)不能太低，頻寬也不能太低，如此多的線數(shù)，寬的采樣頻寬，長的采樣時間，對檢測設備信號處理能力，數(shù)據(jù)存儲等方面要求非常高，結果形成較高的造價，還可能不被客戶認可。

軋機齒輪箱屬于低速重載設備，齒輪箱上的滾動軸承隱患的特征頻率能量極低，一般在振動頻譜圖的最左端，而且振動幅值很低，很容易被忽視；更由于系統(tǒng)本身振動噪聲的緣故，將有隱患零部件的特征頻率淹沒掉。傳統(tǒng)的頻譜分析、細化譜以及倒頻譜技術等對于低頻的信號分析處理能力也沒有作用。

2 軋機齒輪箱高清分析狀態(tài)監(jiān)測法

2.1 低速重載軋機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的重要性

振動測試能準確掌握設備的實際運行狀態(tài)，保證設備健康穩(wěn)定運行在正常范圍之內(nèi)。通過對設備進行連續(xù)的在線測試，可以隨時隨地了解設備的實際運行狀態(tài)。同時發(fā)現(xiàn)異常情況后，及時提醒相關人員采取補救措施；可準確描述設備的當前狀態(tài)或?qū)戆l(fā)展趨勢，為設備的日常維修和大修提供可靠的依據(jù)，從而避免不必要的過渡修理或者過剩修理；并且能夠?qū)崿F(xiàn)預知性維修。通過周期性測試，及時、準確地掌握設備的運行狀態(tài)，對出現(xiàn)的故障及其發(fā)展趨勢作出預報，為實現(xiàn)預知性維修提供可靠的技術保障。

2.2 軋機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的步驟

對齒輪箱和軸承進行監(jiān)測和故障診斷時，要先選用適當?shù)膫鞲衅?，這里推薦使用沖擊脈沖傳感器，將傳感器安裝在合適的測點位置。由于傳感器發(fā)生共振，將測得微弱信號進行共振放大，放大信號再接入信號調(diào)理器進行濾波、降噪等預處理。從信號調(diào)理器出來的信號是模擬信號，計算機是無法的識別的，因此振動信號還要接入模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，即A／D卡，進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字信號。最后利用計算機對數(shù)字信號進行時域、頻域的分析，從而成功的實現(xiàn)對齒輪和軸承的振動測試。

2.3 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測的實施方案

通過多年的對比試驗和研究，最新的高清分析法是解決低速重載設備問題最有效的方法之一。高清分析法是瑞典SPM公司建立在多年現(xiàn)場實踐基礎之上，根據(jù)低速重載設備工作特點、實際工作環(huán)境的復雜狀況開發(fā)出來的。所謂高清分析法就是測試的技術參數(shù)不是通用的振動，而是高清的振動+高清的沖擊脈沖+高清的轉(zhuǎn)速聯(lián)合測試，比通用振動測試效果要好很多，具體表現(xiàn)如下：（1）測試齒輪箱結構上的滾動軸承故障信號中不會帶入齒輪類的沖擊信號，避免了齒輪超強的信號把軸承故障信號淹沒。（2）測試齒輪箱結構，齒輪故障信號中不會帶入軸承故障的沖擊信號，避免了是否由于軸承故障引起的擔憂。（3）變速變載條件下，對信號的捕捉和取舍很關鍵，通過專利的高清轉(zhuǎn)頻追蹤技術，可以很好的將轉(zhuǎn)速的變化和信號緊密結合起來，保證信號分析準確性。

3 高清SPM HD監(jiān)測技術介紹

振動監(jiān)測是設備狀態(tài)監(jiān)測最基礎最重要的組成部分，能夠監(jiān)測振動量值的大小和引起振動的原因，如：動平衡、松動、聯(lián)軸器對中、共振等；也能通過共振解調(diào)（包絡）技術對滾動軸承做診斷。但對于低速設備通過診斷傳感器所做的共振解調(diào)（包絡）對滾動軸承做診斷是沒有把握的，除了不能對軸承故障的嚴重程度、潤滑狀態(tài)做出判斷之外，還經(jīng)常會誤診、漏診，這是由振動傳感器的技術特性缺陷所決定了的。如果想對低速設備的滾動軸承做出精確無誤的診斷，必須采用SPM 的沖擊脈沖技術及SPM HD技術。

高清的SPM HD技術有著無比的優(yōu)越性，它不但具有先進的智能化和人性化的監(jiān)測與分析，還包括有滾動軸承的精確診斷與分析技術。SPM 的滾動軸承監(jiān)測技術得到全世界高度認可，許多設備制造商采用SPM的沖擊脈沖軸承監(jiān)測技術對其產(chǎn)品進行檢測，并把沖擊脈沖監(jiān)測方法融入到了產(chǎn)品設計之中，出廠的產(chǎn)品中均安裝有沖擊脈沖測試適配器、沖擊脈沖傳感器或SPM在線監(jiān)測系統(tǒng)。

SPMHD 沖擊脈沖軸承監(jiān)測技術突破了轉(zhuǎn)速極限，能測量貫穿1～20000r/min 轉(zhuǎn)速范圍的軸承狀態(tài)；SPMHD能夠?qū)⑵谕@得的軸承信號從復雜的背景噪聲中區(qū)分出來，經(jīng)提取和增強，從而得到一個清晰的的軸承狀態(tài)信息。采用SPMHD 測量，可獲得軸承狀態(tài)值HDm/HDc、HD 時域波形（SPM Time Signal HD）和HD 頻譜（SPM Spectrum HD）。

3.1 通過HDm/HDc 對軸承進行標準化評估

（1）HDm 是脈沖脈沖最大值，反映軸承的損傷程度。（2）HDc 是沖擊脈沖地毯值（基本值），反映軸承潤滑狀態(tài)。（3）好軸承： HDm 在綠色區(qū)域，其值小于或等于20。（4）軸承早期故障：HDm 在黃色區(qū)域，其值在21～35 之間，HDm 和HDc 間有較大的差值。（5）壞軸承：HDm 在紅色區(qū)域，其值等于或大于35，HDm 和HDc 間有較大的差值。（6）潤滑不良： HDc 接近于或大于20， HDm 和HDc 間的差值很小。（7）過剩潤滑：HDc 為負值。

3.2 用HD 時域波形（SPM Time Signal HD）

分析軸承故障根源，通過這樣的時域信號，即使不知道軸承的型號，也能對軸承做出分析，因為軸承每個部件均有其各自不同的時域特征。如圖1所示波形，便知是軸承內(nèi)圈故障；圖2所示波形，應為軸承外圈故障。

圖1

圖2

3.3 通過HD 頻譜（SPM Spectrum HD）精確診斷軸承故障

如果知道軸承型號和轉(zhuǎn)速，則可以通過沖擊脈沖高清頻譜（HD 頻譜）精確診斷軸承故障。圖3為通過HDm/HDc 趨勢進行評判的案例，圖4～6為軸承故障診斷案例。

圖3

圖4 軸承內(nèi)圈損傷

圖5 軸承外圈損傷（洗漿機）

由此可見，采用SPMHD 軸承監(jiān)測技術，軸承的全壽命狀態(tài)都將清晰地展現(xiàn)出來，包括：損傷程度、潤滑、損傷部位等，還能夠?qū)崿F(xiàn)軸承故障預警期平均能達6個月以上。因此，SPMHD 技術是非常有效和可靠的。

4 高清齒輪診斷技術介紹——齒輪圓坐標診斷

在進行頻譜分析時域波形分析時，接觸到的都是直角坐標系表現(xiàn)出來的圖形。現(xiàn)在改變一下坐標系，在采樣時，采用轉(zhuǎn)速傳感器來進行采集相位界定。設備每轉(zhuǎn)一圈，采集一次完整信號，再轉(zhuǎn)一圈，再采集一次完整信號，這時，將一轉(zhuǎn)時間和對應的轉(zhuǎn)動角度聯(lián)系起來，形成一一對應關系，這樣就可以將直角坐標圖形轉(zhuǎn)變?yōu)閳A坐標圖形。

下面右側(cè)圓坐標圖（圖6a），發(fā)現(xiàn)測試三個方向（水平、垂直、軸向）測試的圓坐標圖形狀基本一樣，可以清晰發(fā)現(xiàn)有五個較大沖擊信號，五個較小沖擊信號。說明該齒輪存在五處大的磨損，五處小的磨損。解體發(fā)現(xiàn)驗證無疑。從圖6b的圓坐標圖上，很快會發(fā)現(xiàn)齒輪存在偏心故障。

圖6

TH165+.3

A

1671-0711（2017）07（上）-0097-03