铸造起重机主起升减速机实时监控与故障诊断

王赓，李理，栾生武，周雷，赵同涛

（鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山 114021）

鞍钢股份有限公司炼钢总厂三分厂5#生产线4台330/80 t铸造起重机是转炉生产的关键设备，主要负责吊运重铁水罐和重钢水罐，作业环境恶劣，作业率高，承载重，工作级别高而且危险性高。330 t吊车主起升减速机是起重机的关键部件，其运行状况的好坏直接影响起重机的安全性能，减速机发生故障有可能导致钢包坠落，造成人员伤亡。统计分析历年设备故障数据发现[1]，减速机故障主要是齿轮及轴承的装配、润滑等原因导致，轴承因素占约60%，长期以来，炼钢总厂都是应用时频法并结合“视、听、触、摸、嗅”五感点检方法，凭借经验判断减速机的故障部位及原因，受人为因素影响较多。为了及时、准确地判断设备运行的劣化趋势及损坏程度，避免吊车因突发故障临时停机，保证生产稳定顺行，以330 t吊车主起升减速机为研究对象，在减速机上设置监测点，实时监测减速机在线状态，定期从监测振动信号中提取故障信号，综合应用小波包和冲击脉冲法进行分析，根据冲击脉冲值的大小，判断轴承、齿轮的运行状态，及时发现初期故障，分析故障损坏程度，为应急控制和维修管理提供科学、准确的依据。

1 检测系统设计

1.1 检测系统的原理

针对起重机主起升减速机各级齿轮及轴承的运行状态，建立一套在线监测与故障诊断网络系统[2]。该系统由传感器、信号调理箱、数据采集单元、主控制单元、采集监测计算机及相关软件组成。减速机检测系统设计框图见图1。

图1 减速机检测系统设计框图Fig.1 Block Diagram for Designs on Detecting System for Speed Reducer

设计中充分考虑各个工序的不同情况，现场对吊车作业的实际情况，特别是主起升载荷量的不同，主起升速度的不断变化，客观上要求传感器在可靠性、信号采集方式、信号处理与储存、故障报警值设定等方面，必须满足工位不断变化的特殊要求，实现早期故障及时、精确的记录及诊断。

1.2 检测功能

减速机两根输入轴的两侧轴承外圈共布置4个温度传感器；减速机各齿轮轴（不含惰轮）轴承共布置振动传感器和冲击传感器各16个，安装在轴承座下侧载荷处。减速机传感器检测点布置见图2。

图2 减速机传感器检测点布置图Fig.2 Layout Diagram for Check Points by Sensor to Speed Reducer

减速机检测系统有转速测试、温度测试、振动测试、载荷测试等功能。信号源通过高温屏蔽电缆有线传输，输入信号调理器和采集器（主梁或司机室）。实现主要检测功能如下。

系统工作时无须人工操作，自动进行验证，体现了现代化的智慧型管理模式。非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作能够自主运行，高度智能化，且可工作于各种恶劣环境。人脸识别成功后，多媒体机柜自动打开，授课教师便可进入传统的多媒体教学过程。授课结束后若在规定的时间内无人关闭系统，系统会自动关闭多媒体系统，以达到保护设备和延长设备的使用寿命[4]。人脸识别系统引入到多媒体的管理相比刷卡和指纹管理模式现代化程度高，成本较高，但系统稳定可靠，教师操作更为方便。图3为一卡通、刷指纹及人脸识别多媒体管理模式系统工作流程。

（1）对主起升减速机的轴承（高速轴）温度、转速和振动量等各项技术指标进行实时信号采集与状态监测，以实现对齿轮、轴承等在线运行状态的实时监测。

从商品蛋鸡效益来看，2018年前8个月鸡蛋平均出厂价为7.69元/千克，同比上升35.10%。平均鸡蛋成本 7.35元/千克，同比增加2.90%。平均淘汰鸡价格为16.21元/只，同比上升15.80%。只鸡赢利13.63元。

（4）检测及诊断分析软件功能丰富，应用小波包解调技术系统，分析设备各部位的振动趋势，实现对部件状态精度好坏的判别。

（2）采集减速机轴承（高速轴）的温度、转速和振动量等信号，并生成相应的波形、频谱等诊断图谱，生成实际运行状况数据，通过分析诊断软件统计分析存储数据，便于掌握轴承与齿轮劣化趋势。

（4）随机监测软件：可根据实际需要任意设置采样参数，采集并存储数据。

1.3 硬件配置

减速机检测系统的硬件配置如下。

然而，用哺乳动物瘦素处理银大马哈鱼(Oncorhynchus kisutch)[39]、鲶(Ictalurus punctatus)[40]和绿海鲂(Lepomis cyanellus)[27]，却不改变它们的摄食行为或能量代谢。

（1）由转速编码器及电流调理模块（YE5931）提供高速轴转速检测信号2路。

（2）主起升减速机4路、副起升减速机2路、环境温度检测1路选用WZPM－201型端面热电阻温度传感器。

（3）由加速度传感器提供振动量检测信号。前两级8路（高速端轴承座）选用CA-YD-117型压电式加速度传感器；后两级6路 （低速端轴承座、卷筒处）选用CA-DR-1050型电容式加速度传感器。

（4）载荷检测共有1路信号。

（5）主控单元采用YE6266动态数据调理器可达到信号隔离，实现温度及转速信号调理放大，实现振动信号的程控滤波、放大及积分等功能。

1.4.1 检测模块采集软件

（6） 工控机（NUPRO841）选用 YE7600 型 PCI数据采集卡，接收转速、温度及振动等信号，再通过信号调理箱采集滤波、放大等参数采样，通过转速、温度、振动及其频谱的信号显示趋势，实时监控温度及振动异常报警情况，从而实现程序控制。

1.4 软件配置

皮肤颜色分型由Chardon等于1991年提出，采用国际照明学会CIE规定的L*a*b*色度空间测量皮肤颜色。皮肤肤色个体类型角（individual typological angle，ITA°）是被测个体的肤色在L*值和b*值构成的几何平面中所处的位置角度，根据此角度确定皮肤肤色，角度越大肤色越浅，越小肤色越深。有研究表明，构成性肤色（非曝光部位的皮肤颜色）与MED的相关性很好，用来评价皮肤对紫外线的敏感性较为理想。同时，采用肤色ITA°来确定MED，不仅可以缩短受试者进行测试的时间，还可以减少因操作人员造成的主观误差。

检测模块采集软件如下。

（1）系统参数设置软件：配置检测采集测点轴承参数、传感器、滤波增益、监测及报警参数等测点（通道）信息。

（3）混合智能诊断功能模块：混合智能诊断分析软件；混合智能维修指导与决策。

检测监控系统软件会自动监测系统功能和传感器线路故障，检测结果存储在数据库中，再通过以太网将软件系统连接到计算机上，建立检测任务，利用传输测量任务读取结果文件，从而实现数据访问及数据无缝传输。根据数据源可获取DCS系统或SCADA系统、PLC、数据库、仪表及电子表格等各种数据。

（3）波形与频谱监测软件：配置显示振动波形与频谱，给出峰峰值、有效值、峭度等时域指标。监测峰峰值、有效值超限与峰峰值、有效值增长超限并报警存贮。可采用自动切换与手动切换通道功能。

（3）采集减速机各齿轮或轴承的振动量特征值，对检测数据进行趋势分析和初期预报。当减速机各轴齿轮或轴承发生异常时，及时报警提示，提供可靠的故障诊断结论，便于确定最佳检修时间及检修方案，实现对减速机运行状态的预见性管理及预知性维修。

随访期内，12例(21.1%)患者出现硬膜下积液，硬膜下积液量平均(57.7±48.3) mL(12～167 mL)。其中，5例为少量硬膜下积液[(17±4.7)mL]，4例为中等量硬膜下积液[(47.8±7.9)mL]，3例为大量硬膜下积液[(128.3±40.1)mL]。

1.4.2 检测分析诊断软件

当机组运行状态异常时,利用分析软件诊断异常原因及部位，做出机组振动量的趋势分析和常规诊断，功能软件模块如下。

（1）经典分析功能模块：分析诊断功能特征值趋势数据分析与预报；高精度幅值频谱数据；生成分析图谱与报表，可打印Word文档。

（2）小波包分析与包络解调分析功能模块：经典小波包数据分解；第二代小波包数据分解；包络解调分析。

（2）总体监测软件：可实现智能定量故障诊断。配置检测采集振动量（棒图显示），针对峰峰值、有效值超限与峰峰值、有效值增长超限等进行监测并报警，波形与特征值可进行定时存贮。

（4）轴承润滑状态分析模块：识别与分析轴承润滑状态；针对润滑状态进行趋势分析。

泵站更新改造完成后，经过两年的运行，各站机组运行平稳，PMCC控制系统对机泵的自动保护功能（如过载、缺相、欠压、短路、泄漏、浸水、超温等）十分灵敏，没有发生过故障，工程达到了设计要求。在全市不同区县分别选取杨彬庄、闸口、小漫港、杨义口头等4座泵站，对改造前后运行情况进行了比较分析,结果如表1。从表中数据可以看出，新型潜水轴流泵比传统轴流泵具有明显改进效果。

他们俩趴在窗台上，隔着玻璃看窗外奔走的行人和烤鸭店拉下卷闸门的老板，台风已经逼近这里，头顶上黑压压的乌云越来越低，大雨轰然落下。

1.5 检测软件系统特点

（1）通过建立机组黑匣子，实现多途径启动数据记忆，及时准确地获取轴承故障出现的具体时间，实现对轴承故障发生前、后机组信息的追忆。

雄性生理盐水组7例动物和雄性高剂量组11例动物均出现不同程度的肝脏脂肪变性,经卡方检验,两组之间差异无统计学意义(P=0.202),故考虑为动物自发性病变。

（2）采用了报警存储增长策略，避免报警数据存储过密、过多。当减速机各齿轮、轴承等部位的检测点的振动量有效值或峰峰值，超过预警值时，将自动存储检测点报警前后60 s内数据，可实现事故追忆和故障分析诊断。

（3）便于专业点检人员依据振动趋势图对各轴承运行状态的变化情况进行数据统计，准确分析、判断轴承使用状态及劣化趋势。

在“大众创业，万众创新”的新时代背景下，大学生创业是当前越来越突出且不可或缺的新时代背景下的一个重要环节，在此背景下，高校团委作为创业活动最直接、最基层的开展者，自然被赋予了更重要的角色，因而对高校团委创业工作也有了更高的要求，高校团委如何在新时代背景下更好的去应对，去深入服务开展大学生创业，乃是高校团委目前急需解决和研究分析的一个重要的课题。

2 智能检测分析

2.1 智能检测监控功能

智能检测监控平台[3]由4个独立的监控单元组成，采用软件收集各减速机相关振动数据，实现在线监测及分析，系统软件功能逻辑图见图3。

图3 系统软件功能逻辑图Fig.3 Functional Logic Diagram for System Software

精神分析学家弗洛伊德认为人类早在儿童时期就开始寻找性对象，这个对象首先出现在家庭中，男孩以其母亲为选择对象，女孩则以父亲为选择对象。由于玛丽的父亲天天喝得烂醉，置家庭于不顾，导致玛丽的童年缺少父爱。玛丽“本我”中的性欲找不到出口，“超我”一直在控制这种有着童年阴影的性欲，而当土人摩西在玛丽家里做佣人，“本我”中的欲念终于找到一个出口，却被“超我”中的殖民原则硬生生挡在门外，并且还对摩西进行多次侮辱，这也造成了玛丽的悲剧。玛丽的种种行为恰恰体现了她内心的“超我”在极力控制“本我”的冲动与意念。

2.2 智能分析诊断功能

通过分析诊断模块对数据进行动态管理，有效建立诊断数据库，诊断数据库关系结构图见图4[4]。实现对设备运行状态的趋势分析、故障精密诊断、形成故障诊断报告，经过综合判断可以准确地识别轴承和齿轮损伤部位和程度，可实现混合智能诊断功能。

图4 诊断数据库关系结构图Fig.4 Structure Diagram for Relationships among Diagnosis Database

混合智能诊断示意图见图5。智能分析诊断模块具有时域特征分析和小波包数据分析结果的融合功能，诊断结果具有预见性维修指导意义，从根本上避免设备出现漏报、误报。

2.3 分析诊断流程

减速机各处轴承的冲击脉冲传感器和振动传感器可采集减速机实际运行过程中的振动信号[5]。图6为冲击脉冲诊断系统流程。结合小波包解调分析和冲击脉冲频谱分析，对冲击脉冲信号进行去噪、去干扰处理后[6]，采用小波包变换滤波后形成滤波信号，再通过希尔伯特变换进行解包络变换形成包络信号，最后对包络信号进行处理计算，得出冲击脉冲分贝值[7]。对比标准冲击脉冲值，利用计算机软件进行分析比较，对故障做出综合智能诊断，得出诊断结果。

图5 混合智能诊断示意图Fig.5 Diagram for Hybrid Intelligent Diagnosis

图6 冲击脉冲诊断系统流程Fig.6 Flow Path for Diagnosis System by Shock Pulse

参照冲击脉冲法评价标准，将数据库传输过来的包络数据转变成冲击脉冲分贝值，进行对比分析及智能诊断，可以准确判断减速机轴承或齿轮出现故障的具体位置及损伤程度。振动趋势特征量包括：有效值、峭度指标、峰值指标、峰峰值和脉冲指标等。可以浏览选择减速机某个部位、某个时间段内的存储事件，利用高精度幅值频谱图进行趋势分析。选取合适的系数，采用经典小波包方法将轴承振动信号分解为不同的频带选取具有良好匹配信号特征的小波基函数，针对小波变换难以发现的故障，进行及时、有效识别。也可以选定某一频段信号分别进行包络谱分析和频谱分析，提高综合诊断的准确性。

3 应用实例

以330 t吊车减速机主起升一侧分减速机某次出现的故障为对象，分别采用时频法和小波包结合脉冲频谱法分析，说明上述分析方法和监测诊断系统的可行性和准确性。

3.1 时频法故障分析

采用传统的“五感”点检方式，结合便携式测振仪检测故障，图7为检测点加速度水平方向波形图，图8为检测点加速度水平方向频谱图。

图7 检测点加速度水平方向波形图Fig.7 Oscillograph Trace for Check Points at Accelerated Velocity in Horizontal Direction

图8 检测点加速度水平方向频谱图Fig.8 Spectrum Map for Check Points at Accelerated Velocity in Horizontal Direction

从图7可知，减速机齿轮啮合时间大约在245 ms、285 ms两处正反方向幅值突然出现大幅度波动，说明减速机高速轴齿轮有可能存在冲击现象，应关注。从图8可知，减速机齿轮啮合频率395.0 Hz处（加速度 2.59 m/s2）及 787.5Hz 处（加速度3.46 m/s2）幅值突然增大,而且2倍频带出现间隔Δf=25 Hz的边频带,与高速轴转频20.8 Hz相接近，说明减速机高速轴齿轮有可能出现故障而产生冲击。同时，边频带集中说明齿轮有可能存在点蚀等现象。

3)环境影响加权。根据各种环境影响的重要性级别，对标准化后的环境影响潜值进行赋权，从而评价其相对影响潜值大小。则

3.2 冲击脉冲法故障分析

调取主起升东侧分减速机在某一个月内的振动趋势图进行分析研究。当时振动图出现了尖峰点，开盖调整一轴齿轮轴向间隙，调整后检测一轴齿轮轴向间隙。图9为2015年6月12日SPM综合检测结果。可以看出，该减速机一轴输出侧轴承振动值突然增大，同时出现报警，提示一轴轴承有可能出现故障。

翻转课堂独特地结合了一度被认为是矛盾的教学理论，即建构主义意识形态和行为主义原理的结合，其中积极学习，问题导向式学习是建立在建构主义理论基础上的，而指导性讲座则来自以行为主义理论为基础的直接教育方式。

图9 2015年6月12日SPM综合检测结果Fig.9 SPM Comprehensive Check Results on June 12,2015

及时调取该轴承应用冲击脉冲法检测振动的原始信号，见图10。由图10可以看出，轴承加速度振动幅度在采样点多处出现异常。考虑到现场噪音、振动的影响，通过小波包分解滤波后，对原始信号进行去噪、去干扰处理，得到滤波后信号。

图10 轴承振动原始信号Fig.10 Original Signals of Bearing Vibration

小波包分解滤波信号见图11。由图11可以看出，在采样点720处、950处出现异常。再通过希尔伯特变换进行解包络变换得到该轴承包络信号，见图12。由图12更加清楚地看出，在采样点720处、950处轴承加速度振动幅度异常。进一步对包络信号进行处理计算，该轴承信号脉冲分贝值结果见图13。轴承脉冲分贝值最高达42～43 dB，地毯分贝值约为22 dB，轴承脉冲分贝标准值为10 dB。因此，判断该轴承某处已损坏，应马上打开减速机检查确认轴承损坏程度，及时进行更换。

图11 小波包分解滤波信号Fig.11 Filter Signals Decomposed by Wavelet Packets

图12 轴承包络信号Fig.12 Envelope Signals of Bearing

图13 轴承信号脉冲分贝值Fig.13 Pulse Decibel Values of Signals on Bearing

3.3 诊断结果

6月15日，打开此减速机检查发现，一轴输出端轴承支承架已断裂损坏，轴承滚动体存在不规则凹坑及塑性变形，齿轮并未见点蚀情况。更换轴承后，再次进行检测，可看出振幅恢复正常。对比轴承更换前后的振动幅值，从4.6 mm/s降到0.6 mm/s,冲击脉冲分贝值由47 dB降到14 dB，脉冲信号正常。

4 结语

鞍钢股份有限公司炼钢总厂根据330/80 t铸造起重机主起升减速机的各级齿轮及轴承的运行状态，建立了一套在线监测与故障诊断网络系统。该系统结合小波包变换及冲击脉冲频谱分析技术，在线监控减速机运行参数的变化，定期进行数据统计分析，及时判断减速机故障的发生部位、故障类型，初步判断齿轮、轴承的损伤程度，为有针对性的确定检修方案提供了科学依据。不仅有效地避免因突发设备故障而影响正常生产，而且避免重大设备、安全事故的发生，在同类吊车设备管理上，具有极大的应用及推广价值。