時(shí)域波形頻域分析在加熱爐風(fēng)機(jī)故障中的應(yīng)用

1、時(shí)域波形、頻域分析在加熱爐引風(fēng)機(jī)故障診斷中的應(yīng)用高線二廠李元文一、概述隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備工作強(qiáng)度不斷增大，生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度越來(lái) 越高，同時(shí)設(shè)備更加復(fù)雜，各部分的關(guān)聯(lián)愈加密切，往往某處微小故障就爆發(fā)鏈鎖反應(yīng)，導(dǎo) 致整個(gè)設(shè)備乃至與設(shè)備有關(guān)的環(huán)境遭受災(zāi)難性的毀壞。這不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì) 危及人身安全，后果極為嚴(yán)重。故而采用設(shè)備故障診斷技術(shù)，保證設(shè)備可靠而有效地運(yùn)行是 極為重要的。設(shè)備故障診斷技術(shù)是20世紀(jì)7080年代迅速發(fā)展起來(lái)的一門多學(xué)科交叉和融合的新型技 術(shù)，它的應(yīng)用為保障設(shè)備安全運(yùn)行、對(duì)設(shè)備故障的發(fā)展作出早期預(yù)報(bào)、對(duì)出現(xiàn)故障的原因作 出判斷并提出對(duì)策建議、為實(shí)現(xiàn)從

2、現(xiàn)行的“定期維修”向更合理的“預(yù)測(cè)維修”的轉(zhuǎn)變提供 了條件。在設(shè)備故障診斷技術(shù)中，常用的有時(shí)域波形分析及頻譜分析：振動(dòng)信號(hào)以位移、速度、 加速度三個(gè)參量表示，其最簡(jiǎn)單、最直觀的表現(xiàn)形式就是時(shí)域波形。對(duì)于某些故障信號(hào)，其 波形具有明顯特征，直接觀察可以看出周期信號(hào)、諧波信號(hào)、短脈沖信號(hào)，這時(shí)利用波形分 析可以直接識(shí)別共振現(xiàn)象及調(diào)制現(xiàn)象，從而可直接用來(lái)對(duì)設(shè)備故障作出初步判斷；將時(shí)域信 號(hào)變換成頻域信號(hào)加以分析的方法，稱為頻域分析。頻域分析是基于頻譜分析展開的。頻譜 分析就是把時(shí)間域的各種動(dòng)態(tài)信號(hào)變換到頻率域進(jìn)行分析，其目的是把復(fù)雜的時(shí)間波形，經(jīng) 傅立葉變換分解為若干單一的諧波分量來(lái)研究，以獲得信號(hào)

3、的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波幅值、相 位、功率及能量與頻率的關(guān)系。也就是將構(gòu)成信號(hào)的各種頻率成分都分解開來(lái)，以便于振源 的識(shí)別，亦即確定故障的部位。二、引風(fēng)機(jī)的故障診斷高線二廠于 2003 年初建成投產(chǎn)，它的年設(shè)計(jì)產(chǎn)量為 50 萬(wàn)噸，設(shè)計(jì)最高軋制速度是 110m/s。 其主要設(shè)備有兩座蓄熱式步進(jìn)底式加熱爐，28 架平立交替軋機(jī)，3 臺(tái)卡斷剪，3 臺(tái)飛剪和 P/F 線懸掛運(yùn)輸機(jī)，其中 4 臺(tái)預(yù)精軋機(jī)、10 架精軋機(jī)、夾送輥及高速吐絲機(jī)等主要設(shè)備由意大利 “達(dá)涅利”公司引進(jìn)。兩座蓄熱式步進(jìn)底式加熱爐各有兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)和一臺(tái)引風(fēng)機(jī)，兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)為一用一備，而 引風(fēng)機(jī)就沒(méi)有備用機(jī)了，所以，一旦引風(fēng)機(jī)出現(xiàn)突發(fā)性事故，

4、往往導(dǎo)致生產(chǎn)線停產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)均為懸臂式風(fēng)機(jī)，其示意圖見圖 1。其中低溫爐引風(fēng)機(jī)為Y9-38N010D 型離心引風(fēng)機(jī)，電機(jī)型號(hào)為 Y280S-4，額定轉(zhuǎn)速為 1480rpm；高溫爐引風(fēng)機(jī)為 Y8-39N011.2D 型離心引風(fēng)機(jī)，電機(jī)型號(hào)為 Y280M-4，額定轉(zhuǎn)速為 1480rpm。兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)所使 用的軸承型號(hào)都為 22316，聯(lián)軸器都是彈性套柱銷聯(lián)軸器。軸承 3軸承 4圖 1引風(fēng)機(jī)示意圖1、低溫爐引風(fēng)機(jī)6 月 14 日，我們發(fā)現(xiàn)低溫爐引風(fēng)機(jī) 4H 點(diǎn)（軸承 4 水平方向）振動(dòng)值明顯加大：6 月 10 日中班 1.328mm/s，6 月 14 日夜班 8.270mm/s，

5、增大了近 6 倍。首先，我們對(duì) 4H 點(diǎn)的瀑布圖（見圖 2）進(jìn)行分析：其譜圖結(jié)構(gòu)有了非常明顯的變化，幾圖 2低溫爐引風(fēng)機(jī)瀑布圖條譜線的值明顯地加大了，這意味著該設(shè)備存在著故障隱患。為了確診故障隱患，我們又對(duì)4H 點(diǎn)的波形、頻譜（見表 1）進(jìn)行分析：電機(jī)轉(zhuǎn)速 1480rpm，即 電機(jī)轉(zhuǎn)頻=1480rpm/60s25Hz從頻譜圖的各頻率分量中我們看到的是 25Hz 及其倍數(shù)，即基頻分量最大，同時(shí)還存在較大的 二到四倍頻的分量，除此之外沒(méi)有其它的頻率分量了，這說(shuō)明不存在軸承、風(fēng)機(jī)葉輪及松動(dòng) 等隱患；而該時(shí)域波形圖近似于正弦波的形狀，正弦波是存在不平衡的典型的時(shí)域波形。故而，結(jié)合波形圖和頻譜圖我們推斷

6、這是由于轉(zhuǎn)子失衡而引起的故障隱患。表 1PMS 設(shè)備巡檢系統(tǒng)：低溫爐引風(fēng)機(jī) 4H 點(diǎn)的時(shí)間波形與頻譜綜合報(bào)表 工廠:三鋼二高線 車間:機(jī)動(dòng)部（10） 機(jī)器:低溫爐引風(fēng)機(jī) 測(cè)點(diǎn):4H頻率(Hz)25.0050.00100.0075.00幅值(mm/s)8.387.003.071.77頻率(Hz)125.0047.5052.5065.00幅值(mm/s)0.780.630.440.43平均幅值方根幅值均值有效值波形指標(biāo)6.7135.7840.0188.2701.232脈沖指標(biāo)峰值指標(biāo)裕度指標(biāo)歪度指標(biāo)峭度指標(biāo)3.2772.6603.804-0.933-0.1246 月 14 日上午日修時(shí)，將低溫爐引

7、風(fēng)機(jī)開蓋檢查發(fā)現(xiàn)，由于受腐蝕，機(jī)殼上一塊約 200*200 見方的鋼板掉在葉輪上，并隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，而產(chǎn)生不平衡，促使振動(dòng)值在短短的三天多時(shí) 間加大了 6 倍多。并且，當(dāng)鋼板轉(zhuǎn)到高位時(shí)又掉回到低位，如此循環(huán)地轉(zhuǎn)動(dòng)著。所以出現(xiàn)了 波形圖中上下不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，也是頻譜圖中出現(xiàn)二、四倍頻的原因。故障排除后，振動(dòng)值就 恢復(fù)了正常，6.14 中班降為 1.695mm/s（見表 2）。由于對(duì)故障隱患的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、排除，避免 了一次設(shè)備事故的發(fā)生。表 2PMS 設(shè)備巡檢系統(tǒng)：隱患排除后低溫爐引風(fēng)機(jī) 4H 點(diǎn)的時(shí)間波形與頻譜綜合報(bào)表頻率(Hz)25.00100.0050.00122.50幅值(mm/s)2.310

8、.230.200.16頻率(Hz)47.5090.00125.00217.50幅值(mm/s)0.150.150.110.10平均幅值方根幅值均值有效值波形指標(biāo)1.5201.3970.0021.6951.115脈沖指標(biāo)峰值指標(biāo)裕度指標(biāo)歪度指標(biāo)峭度指標(biāo)2.2362.0052.434-0.132-1.3482、高溫爐引風(fēng)機(jī)近一段時(shí)間來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，我廠高溫爐引風(fēng)機(jī) 3A、4A（軸承 3、4 的軸向）的振動(dòng)值有明顯地加大：3A 點(diǎn)，8月1 日為 5.242mm/s，8月9 日為 11.64mm/s；4A 點(diǎn)，7月2 日為 6.947mm/s，7 月 18 日為 7.563mm/s，8月4 日為 12.0

9、7mm/s。先分析 3A、4A 點(diǎn)的瀑布圖（見圖 3、4）：由圖 3 可見，3A 點(diǎn)的譜圖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的變化， 增加了頻率高的幾條譜線，在原有的譜線中有幾條的值也加大了；由圖 4 可見，4A 點(diǎn)的譜圖 結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，但是，其中有幾條譜線的分量值加大了。為了確診設(shè)備的故障原因，我們對(duì)圖 3高溫爐引風(fēng)機(jī) 3A 瀑布圖圖 4高溫爐引風(fēng)機(jī) 4A 瀑布圖3A、4A 點(diǎn)的波形、頻譜圖（見表 3）進(jìn)行分析：電機(jī)轉(zhuǎn)速 1480rpm，即電機(jī)轉(zhuǎn)頻=1480rpm/60s25Hz在 3A、4A 點(diǎn)的時(shí)域波形及指標(biāo)中，沒(méi)有不平衡、不對(duì)中的信號(hào)出現(xiàn)；在 4A 點(diǎn)的頻譜圖中， 呈現(xiàn)出“梳狀”結(jié)構(gòu)，有較多的高次倍頻分量存

10、在，這是松動(dòng)的表現(xiàn)；同樣在 3A 點(diǎn)的頻譜圖 中也有“梳狀”結(jié)構(gòu)，但與 4A 點(diǎn)略有不同：在 500650Hz 范圍有少量的能量出現(xiàn)，這是軸 承故障頻率的區(qū)域，反應(yīng)出軸承有潛在的隱患。綜合前面的結(jié)果，我們推斷：3A、4A 點(diǎn)都是 松動(dòng)引起的故障隱患，又由于葉輪的裝配為過(guò)盈配合，松動(dòng)的可能性小，所以應(yīng)該是在軸承 部位的松動(dòng)，且 3A 點(diǎn)還有軸承故障隱患。表 3PMS 設(shè)備巡檢系統(tǒng)：高溫爐引風(fēng)機(jī) 3A、4A 時(shí)間波形與頻譜綜合報(bào)表工廠:三鋼二高線 車間:機(jī)動(dòng)部（6.5） 機(jī)器:高溫爐引風(fēng)機(jī) 測(cè)點(diǎn):4A平均幅值方根幅值均值有效值波形指標(biāo)9.9018.592-0.03912.071.219脈沖指標(biāo)峰值

11、指標(biāo)裕度指標(biāo)歪度指標(biāo)峭度指標(biāo)3.7273.0574.2950.126-0.185頻率(Hz)150.0025.00175.00172.50幅值(mm/s)6.715.785.645.36頻率(Hz)125.00100.00180.00155.00幅值(mm/s)3.813.673.152.62工廠:三鋼二高線 車間:機(jī)動(dòng)部（6.5） 機(jī)器:高溫爐引風(fēng)機(jī) 測(cè)點(diǎn):3A頻率(Hz)125.00172.50122.50170.00幅值(mm/s)6.135.925.905.46頻率(Hz)120.0025.00197.5097.50幅值(mm/s)4.013.753.562.47平均幅值方根幅值均值有

12、效值波形指標(biāo)9.3317.851-0.02911.641.248脈沖指標(biāo)峰值指標(biāo)裕度指標(biāo)歪度指標(biāo)峭度指標(biāo)3.9123.1354.649-0.215-0.247經(jīng)對(duì)軸承開蓋檢查發(fā)現(xiàn)：3A 點(diǎn)軸承跑內(nèi)圈，4A 點(diǎn)軸承游隙達(dá)到 0.1mm，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值近一 倍。8 月 19 日檢修時(shí)，我們更換了高溫爐引風(fēng)機(jī)的軸承、軸及葉輪。更換后，3A 點(diǎn)的振動(dòng)值為 3.060mm/s，4A 點(diǎn)的振動(dòng)值為 4.513mm/s，均在允許值的范圍內(nèi)（見表 4）。表 4PMS 設(shè)備巡檢系統(tǒng)：隱患排除后高溫爐引風(fēng)機(jī) 3A、4A 時(shí)間波形與頻譜綜合報(bào)表工廠:三鋼二高線 車間:機(jī)動(dòng)部（6.5） 機(jī)器:高溫爐引風(fēng)機(jī) 測(cè)點(diǎn):3A平均

13、幅值方根幅值均值有效值波形指標(biāo)2.3311.914-0.0153.0601.313脈沖指標(biāo)峰值指標(biāo)裕度指標(biāo)歪度指標(biāo)峭度指標(biāo)5.0193.8246.114-0.1180.747頻率(Hz)50.00130.00125.0065.00幅值(mm/s)1.381.231.181.10頻率(Hz)135.0030.0095.0087.50幅值(mm/s)0.950.930.900.78工廠:三鋼二高線 車間:機(jī)動(dòng)部（6.5） 機(jī)器:高溫爐引風(fēng)機(jī) 測(cè)點(diǎn):4A頻率(Hz)150.0030.0065.00142.50幅值(mm/s)3.701.871.461.17頻率(Hz)50.0060.0055.00145.00幅值(mm/s)1.101.091.091.07平均幅值方根幅值均值有效值波形指標(biāo)3.6043.0580.0334.5131.252脈沖指標(biāo)峰值指標(biāo)裕度指標(biāo)歪度指標(biāo)峭度指標(biāo)4.0513.2354.774