低速重载轧机齿轮箱HD高清故障诊断方法应用研究

2017-07-18左家信胡立新

中国设备工程 2017年13期

关键词：齿轮箱轧机高清

左家信,胡立新

（江阴兴澄特种钢铁有限公司,江苏无锡 214429）

低速重载轧机齿轮箱HD高清故障诊断方法应用研究

左家信,胡立新

（江阴兴澄特种钢铁有限公司,江苏无锡 214429）

本文介绍了常规诊断方式的局限性和高清诊断方法的特点，从技术上和应用方面全面阐述低速重载齿轮箱诊断的要点。

振动；加速度；低频；HD高清分析方法

随着企业生产中机械设备控制和结构变得越来越复杂，自动化、智能化水平越来越高，设备可靠运行是企业的迫切需要。通过对机械设备实施现代的在线监测，对设备的故障发展进行早期诊断，预知故障发生趋势，找出故障发生的原因，采取适当、有效的措施进行维修保养，避免设备的突然停机，确保设备安全经济地运转。

1 轧机齿轮箱状态监测和故障诊断技术存在的问题

冶金企业普遍采用振动测试技术来分析轧机齿轮箱的故障，并且在一些轧机齿轮箱上进行应用。但是，通过大量的数据对比分析发现，能取得较好效果的，基本转速在50转/分钟以上的齿轮箱。查看大量的振动技术资料，并结合生产实践发现：（1）一般对于低频振动测量，最常用的方法是测量振动加速度，加速度值会随转频的减少而减小。（2）设备转速低，设备上振动表现为低频信号比较突出，而低频振动信号分析受到测量仪器的能力限制，低转速会导致故障振动信号频率也会很低，而传感器的高通滤波器会将1HZ或者2Hz以下的频率信号当作噪声过滤掉，再加上受到环境噪声的影响，使得振动分析效果变得很差。虽然一些仪器生产厂家号称自己公司有超低频的振动传感器，但是实际使用中其稳定性和可靠性比较差，测量和分析结果往往不能被客户接受。（3）冲击性工况的瞬态性问题，每次冲击的时间较短，比如轧机咬钢时，钢坯对轧辊造成巨大的冲击，这个冲击造成传感器产生较大的影响，在频谱上产生大量莫名其妙的冲击信号，给分析故障增加了难度。（4）由于轴承故障点产生的冲击能量小，响应频率低，激起不来高的频率成分。

对于大于50r/min以上设备采用振动测量时，由于振动相对具有较大的能量，并且短周期，应用振动分析可以相对比较容易进行故障诊断；对于低于50r/ min的设备来说，由于振动能量小而且周期长，因而诊断故障也会很困难。长期以来对低频乃至超低频信号 (≤1Hz)是许多国内外测量分析仪器的难点。为了捕捉振动信不失真号，必须采样时间较长。采样线数不能太低，频宽也不能太低，如此多的线数，宽的采样频宽，长的采样时间，对检测设备信号处理能力，数据存储等方面要求非常高，结果形成较高的造价，还可能不被客户认可。

轧机齿轮箱属于低速重载设备，齿轮箱上的滚动轴承隐患的特征频率能量极低，一般在振动频谱图的最左端，而且振动幅值很低，很容易被忽视；更由于系统本身振动噪声的缘故，将有隐患零部件的特征频率淹没掉。传统的频谱分析、细化谱以及倒频谱技术等对于低频的信号分析处理能力也没有作用。

2 轧机齿轮箱高清分析状态监测法

2.1 低速重载轧机齿轮箱状态监测的重要性

振动测试能准确掌握设备的实际运行状态，保证设备健康稳定运行在正常范围之内。通过对设备进行连续的在线测试，可以随时随地了解设备的实际运行状态。同时发现异常情况后，及时提醒相关人员采取补救措施；可准确描述设备的当前状态或将来发展趋势，为设备的日常维修和大修提供可靠的依据，从而避免不必要的过渡修理或者过剩修理；并且能够实现预知性维修。通过周期性测试，及时、准确地掌握设备的运行状态，对出现的故障及其发展趋势作出预报，为实现预知性维修提供可靠的技术保障。

2.2 轧机齿轮箱状态监测的步骤

对齿轮箱和轴承进行监测和故障诊断时，要先选用适当的传感器，这里推荐使用冲击脉冲传感器，将传感器安装在合适的测点位置。由于传感器发生共振，将测得微弱信号进行共振放大，放大信号再接入信号调理器进行滤波、降噪等预处理。从信号调理器出来的信号是模拟信号，计算机是无法的识别的，因此振动信号还要接入模／数转换器，即A／D卡，进行模／数转换，转换为计算机可以处理的数字信号。最后利用计算机对数字信号进行时域、频域的分析，从而成功的实现对齿轮和轴承的振动测试。

2.3 齿轮箱状态监测的实施方案

通过多年的对比试验和研究，最新的高清分析法是解决低速重载设备问题最有效的方法之一。高清分析法是瑞典SPM公司建立在多年现场实践基础之上，根据低速重载设备工作特点、实际工作环境的复杂状况开发出来的。所谓高清分析法就是测试的技术参数不是通用的振动，而是高清的振动+高清的冲击脉冲+高清的转速联合测试，比通用振动测试效果要好很多，具体表现如下：（1）测试齿轮箱结构上的滚动轴承故障信号中不会带入齿轮类的冲击信号，避免了齿轮超强的信号把轴承故障信号淹没。（2）测试齿轮箱结构，齿轮故障信号中不会带入轴承故障的冲击信号，避免了是否由于轴承故障引起的担忧。（3）变速变载条件下，对信号的捕捉和取舍很关键，通过专利的高清转频追踪技术，可以很好的将转速的变化和信号紧密结合起来，保证信号分析准确性。

3 高清SPM HD监测技术介绍

振动监测是设备状态监测最基础最重要的组成部分，能够监测振动量值的大小和引起振动的原因，如：动平衡、松动、联轴器对中、共振等；也能通过共振解调（包络）技术对滚动轴承做诊断。但对于低速设备通过诊断传感器所做的共振解调（包络）对滚动轴承做诊断是没有把握的，除了不能对轴承故障的严重程度、润滑状态做出判断之外，还经常会误诊、漏诊，这是由振动传感器的技术特性缺陷所决定了的。如果想对低速设备的滚动轴承做出精确无误的诊断，必须采用SPM 的冲击脉冲技术及SPM HD技术。

高清的SPM HD技术有着无比的优越性，它不但具有先进的智能化和人性化的监测与分析，还包括有滚动轴承的精确诊断与分析技术。SPM 的滚动轴承监测技术得到全世界高度认可，许多设备制造商采用SPM的冲击脉冲轴承监测技术对其产品进行检测，并把冲击脉冲监测方法融入到了产品设计之中，出厂的产品中均安装有冲击脉冲测试适配器、冲击脉冲传感器或SPM在线监测系统。

SPMHD 冲击脉冲轴承监测技术突破了转速极限，能测量贯穿1～20000r/min 转速范围的轴承状态；SPMHD能够将期望获得的轴承信号从复杂的背景噪声中区分出来，经提取和增强，从而得到一个清晰的的轴承状态信息。采用SPMHD 测量，可获得轴承状态值HDm/HDc、HD 时域波形（SPM Time Signal HD）和HD 频谱（SPM Spectrum HD）。

3.1 通过HDm/HDc 对轴承进行标准化评估

（1）HDm 是脉冲脉冲最大值，反映轴承的损伤程度。（2）HDc 是冲击脉冲地毯值（基本值），反映轴承润滑状态。（3）好轴承： HDm 在绿色区域，其值小于或等于20。（4）轴承早期故障：HDm 在黄色区域，其值在21～35 之间，HDm 和HDc 间有较大的差值。（5）坏轴承：HDm 在红色区域，其值等于或大于35，HDm 和HDc 间有较大的差值。（6）润滑不良： HDc 接近于或大于20， HDm 和HDc 间的差值很小。（7）过剩润滑：HDc 为负值。

3.2 用HD 时域波形（SPM Time Signal HD）

分析轴承故障根源，通过这样的时域信号，即使不知道轴承的型号，也能对轴承做出分析，因为轴承每个部件均有其各自不同的时域特征。如图1所示波形，便知是轴承内圈故障；图2所示波形，应为轴承外圈故障。