孫夢迪

（上海煙草集團有限責任公司天津卷煙廠，天津 300163）

0 引言

現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展目標不僅是單一通過提高生產(chǎn)速度來提高生產(chǎn)效率，減少機器設(shè)備的非故障性停機也是一項重要的指標。由于大部分機器設(shè)備是通過精密化來提高生產(chǎn)速度、可替換性來減少故障停機，但這也會帶來一系列問題。當機組設(shè)備由不同的小型機械組合而成時，則每個小型機械的配合程度尤為重要。由于人工安裝的不可靠性，導(dǎo)致一些機械與機組設(shè)備的工況無法滿足長期運行的需要，因此機組配合產(chǎn)生一些微小的偏差，同時機組設(shè)備又處于長時間滿載荷運行狀態(tài)，進而導(dǎo)致其內(nèi)部的機械元器件產(chǎn)生不可抗拒的疲勞磨損或不穩(wěn)定性故障。特別是當機組部件的重要部分出現(xiàn)故障或者損壞性造成停機的時候，往往會造成無法挽回的經(jīng)濟損失，嚴重時甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)、部件脫落、鏈條損壞等重大安全事故。

卷煙機組MAX 大風(fēng)機正是一種可替換性強、需要人工進行替換配合、需要人工進行部件調(diào)試、故障率較高、對整體機組有重要生產(chǎn)意義的一種典型的小型機械裝置。由于其工況較為惡劣、轉(zhuǎn)速較高、構(gòu)件較多，故常發(fā)生無周期性非線性故障，導(dǎo)致卷煙機組乃至整條卷包線非計劃性停機。利用振動分析算法和故障診斷技術(shù)，對卷煙風(fēng)機組MAX 大風(fēng)機進行實時狀態(tài)監(jiān)測、智能診斷分析，是預(yù)測設(shè)備失效、預(yù)防嚴重生產(chǎn)事故的最有效的技術(shù)手段之一。

1 研究內(nèi)容

（1）分析MAX 大風(fēng)機的結(jié)構(gòu)和傳動特點。

（2）對MAX 大風(fēng)機的典型故障類型和故障特征進行分析，對故障機理具有一定認知，再通過故障頻率的計算對組成部件故障進行理論演繹。

（3）利用Condition Monitoring System 狀態(tài)監(jiān)測軟件分析時域圖、頻域圖和包絡(luò)譜圖，并對MAX 大風(fēng)機故障實例進行故障診斷。

（4）采用時域分析、頻域圖和包絡(luò)譜分析，對MAX 大風(fēng)機故障實例進行診斷，為故障判定提供依據(jù)。

（5）通過時域有效值（RMS）、皮帶故障頻率和軸、軸承典型故障建立故障算法模型架構(gòu)，對MAX 大風(fēng)機故障進行準確判斷。

2 實驗原理

2.1 振動標準

MAX 大風(fēng)機的振動評判均依據(jù)國際工廠設(shè)備振動標準ISO 10816，該標準涉及振動、沖擊和振動測量、機器、裝置、設(shè)備的特性和設(shè)計。該標準適用于通過非轉(zhuǎn)動件的測量進行機械振動的評估，實驗對象MAX 大風(fēng)機適用于該標準第3 部分：額定功率大于15 kW，額定轉(zhuǎn)速在120～15 000 r/min 的在現(xiàn)場測量的工業(yè)機器。

2.2 軸承故障模型

（1）第一階段：軸承在其固有頻率出振動，該固有頻率作為載波，調(diào)制了軸承故障頻率，F(xiàn)FT 頻譜圖上出現(xiàn)邊帶。

（2）第二階段：故障頻率可在普通FFT 頻譜中發(fā)現(xiàn)，當軸承故障發(fā)展時，故障頻率處的尖峰幅值會增加，絕大多數(shù)情況下會隨著時間增長而線性增加。

（3）第三階段：頻譜中出現(xiàn)故障頻率的諧頻，軸承上出現(xiàn)肉眼可見的裂紋。

（4）第四階段：故障進一步惡化，導(dǎo)致軸承損壞加劇，振動情況加劇，更多的諧頻出現(xiàn)邊帶現(xiàn)象（基于不同故障）。

2.3 皮帶故障模型

頻譜上存在皮帶頻率處（BR）的較高尖峰，皮帶頻率的諧頻處也有較高的尖峰。

3 測試設(shè)備

3.1 設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)采集站

（1）設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)的核心是振動、轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集站，它能自動完成在線狀態(tài)監(jiān)測所必須的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)評估，采集站可將各種傳感器的信號轉(zhuǎn)換成A/D 可以接受的信號。

（2）采集站標配8 路振動采集信號、轉(zhuǎn)速等其他以4～20 mA或1～5 V 方式輸入的模擬量信號。

（3）多通道同步采樣，通過現(xiàn)場光纖的備用芯與服務(wù)器組成專用的通信網(wǎng)絡(luò)。采集站最高采樣率達到64 kps，F(xiàn)FT 最高譜線數(shù)滿足6400 線以上等技術(shù)要求。

（4）采集站可以采集超低頻振動信號，采集低頻信號可達0.05 Hz，精度可達1%。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站具備完善的儀器自檢功能和完全的信號處理和數(shù)據(jù)分析能力。數(shù)據(jù)采集器能在上位服務(wù)器不參與的情況下獨立完成波形采集以及信號積分、數(shù)字濾波、幅值譜、包絡(luò)譜，特征值提取、頻帶內(nèi)能量計算等信號處理工作，并可依據(jù)時域和頻域的分析結(jié)果輸出報警。

3.2 振動加速度傳感器

普頻振動加速度傳感器適用于高轉(zhuǎn)速部件的振動監(jiān)測，如齒輪箱高速軸，電機軸、葉輪軸兩端軸承。其靈敏度為100 mV/g，能夠監(jiān)測的頻率范圍為0.35～15 kHz，測量范圍50 g。

3.3 測點布置

測試測點位置位于ZJ112 卷煙機組MAX 大風(fēng)機葉輪軸承座外殼。實驗采用24 h 不間斷測量，每30 min 記錄一次數(shù)據(jù)，將振動有效值最大的數(shù)據(jù)進行分析對比。

MAX 大風(fēng)機振動信號的采集需要使用傳感器、PLC 數(shù)據(jù)采集站、狀態(tài)監(jiān)測軟件等設(shè)備。信號采集的整個過程：將傳感器采集的振動信號由數(shù)據(jù)采集站統(tǒng)一收集和保存，再將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)出至狀態(tài)監(jiān)測軟件進行計算分析。

3.4 測試機組運行參數(shù)

電機轉(zhuǎn)速2930 r/min，電機端皮帶輪直徑192 mm，葉輪轉(zhuǎn)速7716 r/min，葉輪端皮帶輪直徑75.83 mm，皮帶長度1320 mm。計算得出：

4 數(shù)據(jù)分析

實驗機組：B110、B118；實驗測點：MAX 大風(fēng)機葉輪端軸承。

4.1 時域波形、振幅譜

B110、B118 機組MAX 大風(fēng)機葉輪端軸承時域波形見圖1，葉輪轉(zhuǎn)頻幅值見圖2，皮帶頻率幅值見圖3。

圖1 時域波形

圖2 葉輪轉(zhuǎn)頻

圖3 皮帶頻率

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

（1）有效值對比。B110 機組振動測點的有效值RMS 為14.8 m/s2，B118 機振動測點的有效值RMS 為24.2 m/s2。從振動烈度的角度分析，B118 機組比B110 機組振動大。

（2）葉輪轉(zhuǎn)頻幅值對比。B110 機組MAX 大風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)頻1×為5.970 mm/s，2×為1.750 mm/s，滿足振動故障模型中的葉輪軸、軸承故障；B118 機組MAX 大風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)頻1×為2.040 mm/s，2×為0.093 mm/s，屬于正常運行范疇。

（3）皮帶頻率幅值對比。B110 機組MAX 大風(fēng)機皮帶幅值的1×、2×、3×依次為0.173 mm/s，0.320 mm/s，0.210 mm/s，無明顯尖峰，皮帶嚙合較平穩(wěn)；B118 機組MAX 大風(fēng)機皮帶幅值的1×、2×、3×依次為0.584 mm/s、1.42 mm/s、0.033 mm/s，在2×處存在明顯尖峰，屬于振動故障模型中皮帶張緊度故障。

5 實驗結(jié)果

（1）B110 機組實驗結(jié)論：B110 振動有效值RMS 為14.8 m/s2，其MAX 大風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)頻1×達到5.970 mm/s，符合振動故障模型中的葉輪軸、軸承故障，其葉輪軸、軸承之間存在摩擦，軸承存在常見故障。

（2）B118機組實驗結(jié)論：B118機組振動有效值RMS為24.2m/s2，其MAX 大風(fēng)機皮帶幅值的1×、2×、3×依次為0.584 mm/s、1.42 mm/s、0.033 mm/s，在2×處存在明顯尖峰，皮帶兩端張緊度、同心度、平行度等存在故障。

6 結(jié)語

（1）單一的振動有效值可反映一般性故障，如B118 機組的皮帶張緊度問題，但并不能全面有效地涵蓋所有問題故障，如B110 機組的軸、軸承中期故障。

（2）利用振動原理建立的振動故障模型，可針對軸、軸承、皮帶、電機等進行單項的故障分析，可以更清晰地分辨機械部件的故障類型。

（3）通過對不同時間、不同機組、相同測點的振動數(shù)據(jù)測定及分析，可完善基礎(chǔ)的振動模型，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對模型進行自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)，更加精準地判斷故障類型及故障嚴重程度。