喻維綱，高 帆

（1.湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南湘潭 411101；2.重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121）

0 引言

旋轉機械是機械設備中最為常見的一類機械，大型旋轉機械設備在鋼鐵企業(yè)應用廣泛，軸承是其中不可缺少的關鍵部件，軸承的健康狀況直接影響設備的穩(wěn)定性。軸承按摩擦性質可以分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。滾動軸承由于摩擦阻力小，標準化程度高，因此應用范圍較廣，鋼鐵企業(yè)鐵前機械設備用滾動軸承多為低速重載，環(huán)境惡劣。鋼后機械設備用滾動軸承多為高速重載或高速輕載，要求軸承工作環(huán)境好，軸承使用數(shù)量大?；瑒虞S承由于其特有的工作方式以及結構特點，在高轉速、大沖擊及振動等工作條件下仍然占有不可替代的地位，因此在鋼鐵企業(yè)應用同樣廣泛。設備是企業(yè)的生命，如何制定科學的設備管理策略、避免設備惡性突發(fā)事故的發(fā)生、確保關鍵設備長期可靠運行是鋼鐵企業(yè)迫切需要解決的問題。

本文首先介紹了滾動軸承和滑動軸承的主要失效形式，并將應力波分析技術引入鋼鐵企業(yè)關鍵設備軸承部件狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷，分別以華菱湘鋼焦化廠干熄焦提升機、煉鋼廠連鑄大包回轉臺、動力廠TRT機組3種不同設備的監(jiān)測診斷案例，說明關鍵設備滾動軸承和滑動軸承部件的健康狀態(tài)評估過程及故障診斷結論，以設備開蓋檢修的情況驗證狀態(tài)監(jiān)測的有效性以及故障定位的準確性。

1 軸承部件主要失效形式及失效機理

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的特點是生產(chǎn)工藝流程長，生產(chǎn)連續(xù)性強，自動化水平高。設備一旦發(fā)生故障，往往導致裝置停車，造成較大的經(jīng)濟損失。鋼鐵生產(chǎn)設備主要由齒輪箱、電機、軋機、風機、轉爐傾動、連鑄大包回轉臺、TRT機組等各類旋轉機械組成，設備密集而復雜，使用強度大，運行環(huán)境較為惡劣，同時在生產(chǎn)中處于非常重要的地位，其運行狀況及管理狀況直接關系到企業(yè)的經(jīng)濟效益。

機械旋轉部件通常是最容易發(fā)生故障的部件，據(jù)有關研究報道，在使用滾動軸承的旋轉機械中，大約有30%的機械故障是由滾動軸承引起的；感應電機故障40%以上是由軸承故障引起的；在機器的總故障次數(shù)中，齒輪箱故障約占10.3%左右，而在齒輪箱的失效零件中，齒輪失效占60%左右。軸承和齒輪故障會引起轉軸的不平衡振動，進一步誘發(fā)轉軸故障，嚴重的甚至會造成轉軸斷裂事故［1］。

旋轉部件的某些故障可以通過檢測儀器在線或離線監(jiān)控，這些故障產(chǎn)生的概率與機械運轉的時間相關，叫作漸變故障，旋轉部件的使用時間越長，發(fā)生漸變故障的概率也就越大，故障的漸發(fā)性使得旋轉部件的多數(shù)故障可以進行預防。因此，為了控制和預防故障的出現(xiàn)，則必須分析其主要失效形式及失效機理［2］（見表1）。

從上述滑動軸承主要失效形式及失效機理可以發(fā)現(xiàn)：各種故障發(fā)展至一定程度時都是導致軸承與軸頸產(chǎn)生接觸摩擦或磨粒磨損，進一步發(fā)展就會導致軸承提前失效。因此，可將接觸摩擦看作是各種形式的故障發(fā)展至一定程度時的必經(jīng)之路和共同特征。對于滾動軸承而言，當軸承出現(xiàn)輕微疲勞、裂紋或腐蝕等非直接接觸類故障時，一般意義上就認為軸承已出現(xiàn)故障，但是在這類故障未達到一定嚴重程度時，不會產(chǎn)生金屬剝落現(xiàn)象，只有在這些故障達到一定嚴重程度時，才會產(chǎn)生金屬剝落現(xiàn)象，形成較大的磨粒，從而出現(xiàn)接觸摩擦的故障特征［2］。

表1 軸承部件主要失效形式及失效機理

2 應力波監(jiān)測診斷系統(tǒng)

2.1 應力波分析技術基本原理

圖1 應力波分析技術基本原理

針對關鍵設備的運行特點及監(jiān)測診斷中的技術難點，湘鋼引入應力波分析技術，應力波是一種超聲波能量脈沖，其原理如圖1所示，應力波技術對設備內部相對運動產(chǎn)生的摩擦和沖擊進行信號采集、處理、分析后根據(jù)獲得的能量、頻率及直方圖，對設備所進行的狀態(tài)及故障分析［3］。應力波技術可以分辨故障的深度和寬度，并且不受機械振動影響，通過應力波能量圖可以量化摩擦和沖擊產(chǎn)生的應力波能量，及時發(fā)現(xiàn)設備內部的動態(tài)變化；通過直方圖可以監(jiān)測與潤滑問題有關的非周期事件，如潤滑油污染，潤滑不良等故障；通過FFT頻譜則可將故障定位到一個特定的齒輪或軸承，甚至是軸承內的一個座圈或滾珠［3］。

圖2 應力波技術與傳統(tǒng)技術相比的前瞻性

應力波技術秉承國際前瞻性的維護保障理念——“未病先防、既病防變”，如圖2所示，與傳統(tǒng)監(jiān)測診斷手段相比，應力波技術能夠有效提取設備早期故障特征，捕捉設備出現(xiàn)實際損壞時的突變狀態(tài)，從而在其他傳統(tǒng)技術診斷出故障情況之前提前預判設備的運行狀態(tài)，應力波技術可改變現(xiàn)有常規(guī)檢修思路，幫助企業(yè)實現(xiàn)從普遍采用的定期檢修向以提高設備可靠性為核心，基于設備實際狀況的狀態(tài)檢修轉變。

2.2 在線監(jiān)測診斷實現(xiàn)設備狀態(tài)實時受控

完整的應力波監(jiān)測診斷系統(tǒng)包括三大部分：應力波傳感器、數(shù)據(jù)采集箱、分析軟件。應力波傳感器部署在現(xiàn)場設備上，感知設備內部的應力波能量變化；數(shù)據(jù)采集箱就地部署在監(jiān)測現(xiàn)場，匯聚、處理現(xiàn)場多個應力波傳感器的監(jiān)測信息；分析軟件部署在控制室或者管理辦公室，用于診斷分析和處理多個數(shù)據(jù)采集箱匯聚的設備監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。該監(jiān)測診斷系統(tǒng)將設備故障診斷技術與計算機網(wǎng)絡技術相結合，建立了一種開放式的遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)獲取的設備運行狀態(tài)、相關參數(shù)和故障信息數(shù)據(jù)設定篩選識別，在現(xiàn)場設備存在故障征兆，并且設備管理人員難以對其做出診斷和維修時，通過網(wǎng)絡與遠程故障診斷中心建立連接，設備專家與現(xiàn)場生產(chǎn)、管理人員依托多種專業(yè)分析工具聯(lián)合對采集的各類數(shù)據(jù)進行遠程及本地的故障分析，診斷出異常信息，實現(xiàn)對設備故障的及時診斷與維修。該診斷模式是在傳統(tǒng)的監(jiān)測、故障診斷技術基礎之上與計算機技術、現(xiàn)代通信技術、網(wǎng)絡技術相結合的一種基于物聯(lián)網(wǎng)式的新型診斷技術。

該系統(tǒng)同時配置設備健康監(jiān)測手機APP軟件，它是幫助設備運維人員更加方便完成設備健康監(jiān)測工作的有力工具，結合應力波診斷技術、移動互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)工業(yè)設備管理的全面信息化，提高設備運維效率。如圖3所示，通過設備健康監(jiān)測APP，可實現(xiàn)設備運行狀態(tài)7×24小時全天候的實時監(jiān)測、報警分級發(fā)送、設備異常報警分級確認、診斷建議即時發(fā)布，設備維修任務立即派發(fā)，對維修結果快速反饋等功能。

圖3 設備健康管家手機APP軟件界面

3 干熄焦提升機減速機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷案例

干熄焦生產(chǎn)過程中最重要的設備之一是提升機。提升機的工作特點是環(huán)境溫度較高、啟停頻繁、工況不穩(wěn)定、負載大，一個工作周期要經(jīng)歷低速負載提升、高速負載提升、機架平移、低速負載下降、低速空載提升和高速空載下降6種工況。其中在高速提升狀況時，齒輪傳動所承受的力矩最大，摩擦/沖擊事件最為強烈，故障信號表現(xiàn)最明顯。

3.1 干熄焦提升機狀態(tài)監(jiān)測點部署

湘鋼焦化廠2#干熄焦提升機技術參數(shù)為：由2臺功率相同的電機驅動，減速機為5級減速。根據(jù)圖4所示的機械結構及實際工況，應力波傳感器夾持安裝的方式（減速機在端蓋處有螺栓）固定于設備上。

3.2 設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

3.2.1 應力波能量趨勢圖

應力波能量趨勢圖通過系統(tǒng)在實際運行中采集數(shù)據(jù)而生成，它顯示出應力波能量隨時間推移的變化趨勢，這里用3個區(qū)域的圖形化表示設備的健康趨勢。如圖5所示，提升機減速機3軸的應力波能量從7月至8月，上升趨勢明顯，尤其是8月23日之后超出紅區(qū)報警線，表明設備的健康狀態(tài)發(fā)生了明顯惡化。

3.2.2 FFT頻譜

應力波分析技術只檢測能夠激發(fā)傳感器在超聲波頻段的共振信號，濾除與設備故障無關的背景噪聲，因此定位設備故障原因及具體位置時，只保留純粹的故障信息，從而使故障分析和定位更加精準［3］。在有局部損傷區(qū)的情況下，當機械部件與損傷區(qū)域接觸時，會發(fā)生重復的沖擊事件，從而在頻譜中出現(xiàn)譜線波峰，根據(jù)該波峰頻譜可以確定引起沖擊的部件，從而指示損壞的部件及其位置。2018年7月的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示，3軸軸承頻譜中出現(xiàn)了明顯的外圈故障頻率（37.84 Hz），經(jīng)故障頻率計算，判斷為3軸軸承存在外圈故障，故障特征非常明顯，建議盡快對3軸軸承進行檢維修，避免非計劃停機。

3.3 設備開蓋檢修

提升機減速機開蓋檢修：2018年9月對該減速機進行檢修，對設備進行開蓋驗證，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)3軸軸承開裂，并且減速機3軸上蓋與3軸外圈之間有磨損，與故障診斷結果完全一致。

4 連鑄大包回轉臺回轉支承故障診斷案例

大包回轉臺是連鑄機的“龍頭”，它的運轉狀況直接決定著連鑄機的生產(chǎn)，回轉支承是連鑄機大包回轉臺上的重要部件，其安全穩(wěn)定工作對于大包回轉臺正常運行至關重要。高精度回轉支承常見破壞形式主要包括滾道表面金屬剝落、軸承燒傷、塑性變形、軸承座圈裂紋及磨損、保持架破碎及其金屬黏附在滾動體上等。在實際生產(chǎn)應用中，企業(yè)往往通過油脂化驗方法（光譜分析）來判斷回轉支承故障情況。

圖4 干熄焦提升機狀態(tài)監(jiān)測點部署

圖5 提減速機3軸應力波能量趨勢

圖6 減速機3#軸FFT頻譜圖（軸承外圈故障）

4.1 回轉支承狀態(tài)監(jiān)測點部署

湘鋼煉鋼廠1#連鑄大包回轉臺技術參數(shù)為：回轉半徑4 000 mm、承載重量160 T、回轉速度0～1 r/min，減速裝置中主減速機為四級錐齒-圓柱齒輪減速機，減速比為203.84，并采用開式齒輪傳動減速比3.667，總速比達747.48。應力波傳感器測點如圖8所示，回轉支承3個監(jiān)測部位，3個部位呈120角度分布，以及減速機輸出端（輸出軸端蓋處有螺栓），該測點同時監(jiān)測減速機及過渡齒輪的運行狀態(tài)。

圖7 減速機開蓋檢修現(xiàn)場實物

圖8 回轉支承狀態(tài)監(jiān)測點部署

4.2 設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

4.2.1 應力波能量圖

應力波能量非常直觀的反應摩擦、沖擊事件的能量大小，如圖9所示，4個傳感器所監(jiān)測出的應力波能量大小，與齒輪嚙合部位的距離遠近，是完全吻合的，這表明應力波技術可有效監(jiān)測回轉支承、過渡齒輪及減速機的運行狀態(tài)。

4.2.2 FFT頻譜

連鑄大包回轉臺于2018年11月更換全新的減速機及回轉支承，11月13日—12月中旬，回轉支承1的頻譜中偶爾出現(xiàn)明顯的特征頻率；12月下旬，尤其是12月25日之后，回轉支承1持續(xù)出現(xiàn)明顯的特征頻率，如圖10所示，表明回轉支承1的部位存在異常摩擦/沖擊；回轉支承1的特征頻率幅值從11到12月，再到1月的趨勢來看，幅值處于增大趨勢，表明早期的微小故障在逐漸放大。

4.3 設備檢修

經(jīng)現(xiàn)場確認，連鑄大包回轉臺于2018年11月更換全新的減速機及回轉支承后，減速機的地腳螺栓存在松動情況。事后分析該故障的情況為：減速機地腳螺栓松動→過渡齒輪與回轉支承大齒圈嚙合不良→回轉支承滾動軸承部件發(fā)生異常摩擦/沖擊，該異常摩擦/沖擊信號被應力波系統(tǒng)獲取。對減速機的地腳螺栓按照規(guī)范進行緊固并檢查過渡齒輪與回轉支承大齒圈的齒輪嚙合后，該設備恢復生產(chǎn)并保持穩(wěn)定運行。該案例為典型的早期故障及時進行處理后，避免故障進一步惡化對軸承部件造成實際損傷。

圖9 回轉支承應力波能量趨勢

圖10 回轉支承FFT頻譜

5 滑動軸承狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷案例

汽輪發(fā)電機組、透平壓縮機組、燃氣輪機等大型透平機械是鋼鐵企業(yè)的關鍵設備。透平機組一旦發(fā)生故障就有可能造成重大事故，給企業(yè)帶來巨大的損失。因此，對透平機組進行實時監(jiān)測診斷，預測故障產(chǎn)生的條件，通過正確決策和主動控制，在運行中抑制故障，對于避免不必要的停產(chǎn)、節(jié)省維修成本和資源、提高企業(yè)經(jīng)濟效益有著廣泛的應用價值。

5.1 TRT狀態(tài)監(jiān)測點部署

湘鋼共有4座高爐，均安裝了TRT裝置，其中2#高爐TRT是陜西鼓風機（集團）公司2009年6月生產(chǎn)，2010年投入運行的干法除塵TRT機組，機組型號為MPG19.2-295.6/180。它的設計參數(shù)為：高爐容積2 580 m3，高爐爐頂煤氣發(fā)生量：最大值為530 000 Nm3/h，正常情況下為435 000 Nm3/h；輸出功率最大值為19.2 MW，正常情況為13.9 MW。在湘潭鋼鐵動力廠，用應力波系統(tǒng)對TRT進行監(jiān)測，現(xiàn)場布置測點2個，分別為1瓦、2瓦，如圖11所示，應力波傳感器采用夾持安裝的方式（軸承座端蓋處有螺栓），夾持底座通過螺栓和設備固定到一起，傳感器實際固定于夾持底座上。

圖11 TRT狀態(tài)監(jiān)測點部署

5.2 設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷

5.2.1 應力波能量趨勢圖

如圖12所示，1瓦的應力波能量存在明顯波動，并且從2010年1月8日21點至22點48分，應力波能量的波動幅值逐漸升高，表明1瓦的異常情況逐漸加劇。而2瓦的應力波能量相對較穩(wěn)定。

5.2.2 FFT頻譜

如圖13所示，21點40分，F(xiàn)FT頻譜中出現(xiàn)49.44 Hz軸頻及其倍頻，幅值為0.066 V，表明軸與軸瓦之間存在碰摩；22點40分，頻譜中的49.44 Hz軸頻及其倍頻幅值增大為0.29 V，表明軸與軸瓦之間碰摩嚴重。

5.2.3 直方圖

該工具檢測應力波脈沖串中每個脈沖的峰值幅度，并將其分布到對應每一讀數(shù)值的電壓刻度，Y軸表示摩擦事件的數(shù)量，X軸表示單個摩擦脈沖的峰值幅度。在正常運行狀態(tài)下，直方圖分布是窄的呈正態(tài)分布的鐘形曲線并處于電壓的低值端，而在異常、摩擦和沖擊事件發(fā)生時，越來越多的高振幅摩擦事件發(fā)生，結果是一個更寬泛的分布，即在振幅刻度上“傾斜”到右邊。2010年1月8日21點至22點48分，1瓦直方圖如圖14所示，偏態(tài)分布非常明顯，且隨著時間推移，狀態(tài)越來越差，懷疑1瓦部位存在潤滑不良或潤滑油污染問題，并且未形成有效的油膜。

5.3 設備開蓋檢修

圖12 TRT1#瓦應力波能量趨勢

圖13 1#軸瓦FFT頻譜圖對比

圖14 1#軸瓦FFT直方圖（存在嚴重潤滑不良或潤滑油污染）

基于上述監(jiān)測數(shù)據(jù)，尤其是數(shù)據(jù)中明確體現(xiàn)出來21點40分至22點40分軸與軸瓦之間的碰摩逐漸加劇以及潤滑不良的情況到了非常嚴重的程度，設備管理人員立即部署更換1瓦部位軸瓦的準備工作，隨即將該設備停機，開蓋檢查1瓦部位是否存在故障。1瓦部位開蓋檢查如圖15所示，該軸瓦的巴氏合金顆粒脫落于潤滑油中，造成潤滑油污染情況。2010年1月9日凌晨更換軸瓦后，當天上午該機組即恢復正常生產(chǎn)，由于該故障處理及時，避免了抱軸、非計劃停機等更嚴重的事故。

6 結語

在鋼鐵行業(yè)持續(xù)去產(chǎn)能的大形勢下，使現(xiàn)有裝備的效能最大化，是增強企業(yè)競爭力的重要“法寶”。在華菱湘鋼看來，設備管理是不出成績的，其使命職責是為生產(chǎn)提供穩(wěn)定支撐，企業(yè)效益好，設備管理工作才有價值。在鋼鐵行業(yè)邁向高質量發(fā)展的當下，智能制造升級需要匹配設備管理維護能力的同步提升，湘鋼提出“讓設備開口說話”的先進理念，使設備管理經(jīng)歷了事后維修、計劃維修和以點檢定修為特征的預防維修，目前正在向預知維修邁進。

本文通過干熄焦提升機、連鑄大包回轉臺、TRT機組3種不同設備的滾動軸承和滑動軸承監(jiān)測診斷案例，以設備開蓋檢修的情況驗證了應力波技術對于滾動軸承外圈開裂、滑動軸承軸與軸瓦之間存在嚴重碰摩、潤滑污染、潤滑不良等診斷結論的有效性及準確性，該案例為湘鋼在“讓設備開口說話”先進理念下實施預知維修提供了實踐指導。

圖15 TRT 1#軸瓦開蓋檢修現(xiàn)場實物

展望未來，物聯(lián)網(wǎng)技術和大數(shù)據(jù)分析將給設備全生命周期健康狀態(tài)監(jiān)測診斷及預知維修提供先進的技術支撐，具體表現(xiàn)為：（1）在設備狀態(tài)監(jiān)測診斷中應用物聯(lián)網(wǎng)技術，面向企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化需求，構建精準、實時、高效的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系。其核心意義在于構建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務體系，實現(xiàn)工業(yè)技術、經(jīng)驗、知識的模型化、標準化、軟件化、復用化?；谀壳叭蚧墓I(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢，可以認為物聯(lián)網(wǎng)在設備狀態(tài)監(jiān)測診斷中的應用范圍、應用規(guī)模、應用成果將會不斷擴大，應用效果也將向更好更優(yōu)的水平發(fā)展；（2）設備健康狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量存在監(jiān)測點多、采樣頻率高、數(shù)據(jù)收集時間長等特點，海量運行數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，意味著設備故障診斷及預知維修迎來了它的大數(shù)據(jù)時代，將大數(shù)據(jù)分析、機器學習及人工智能技術應用于設備運行過程的故障預測診斷，從大數(shù)據(jù)中挖掘出故障信息，結合失效模式、故障模式以及關鍵因素分析，實現(xiàn)運行故障的快速診斷。將物聯(lián)網(wǎng)技術和大數(shù)據(jù)分析應用于狀態(tài)監(jiān)測診斷，將實現(xiàn)設備健康狀態(tài)在線監(jiān)測、遠程監(jiān)控診斷、故障匹配識別為一體的智能高效監(jiān)測診斷模式，從而帶來更高準確性和可靠性的設備健康預測結果，最終目標是降低維護成本，提高設備利用率，幫助企業(yè)、行業(yè)找到一條設備運行維護的捷徑，為企業(yè)實施智能制造提供基礎保障。