铸造起重机主起升减速机实时监控与故障诊断

　　摘要：为了及时、精准地诊断铸造起重机主起升减速机的故障，鞍钢股份有限公司炼钢总厂开发了铸造起重机主起升减速机实时监测与故障诊断系统，该系统将小波包分析与冲击脉冲法相结合，不仅能确保起重机的安全运行，有效地控制减速机潜在故障的发生，节约设备维修费用，而且能避免炼钢生产中的非计划停机、停产，具有极大的推广和应用价值。

　　关键词：铸造起重机;主起升减速机;实时监控;故障诊断

　　鞍钢股份有限公司炼钢总厂三分厂5#生产线4台330/80t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。330t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330t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。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。(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。(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。(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。

　　1.3硬件配置

　　减速机检测系统的硬件配置如下。(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。(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

　　1.4.1检测模块采集软件

　　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。(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。(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。(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。

　　1.4.2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。(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。(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。

　　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。(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60s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。(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。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。

　　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。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。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]。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。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330t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，减速机齿轮啮合时间大约在245ms、285ms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。减速机齿轮啮合频率395.0Hz处(加速度2.59m/s2)及787.5Hz处(加速度3.46m/s2)幅值突然增大,而且2倍频带出现间隔Δf=25Hz的边频带,与高速轴转频20.8Hz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。

　　3.2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。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。及时调取该轴承应用冲击脉冲法检测振动的原始信号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。

　　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，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。轴承脉冲分贝值最高达42~43dB，地毯分贝值约为22dB，轴承脉冲分贝标准值为10dB。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。

　　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4.6mm/s降到0.6mm/s,冲击脉冲分贝值由47dB降到14dB，脉冲信号正常。

　　4结语

　　鞍钢股份有限公司炼钢总厂根据330/80t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。

　　参考文献

　　[1]萧汉年.机械工况监测与故障诊断[M].北京：人民交通出版社，1994.

　　[2]石博强,申众华.机械故障诊断的分形方法[M].北京：冶金工业出版社，2001.

　　[3]吴斌，于春梅，李强.过程工业故障诊断[M].北京：科学出版社，2011.

　　[4]王一波.鞍钢450T铸造起重机主起升减速机状态监测与故障诊断系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

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