設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)

1、新技術(shù)專題報(bào)告學(xué)院：電子與信息工程學(xué)院班級(jí)：電氣11姓名：張健康學(xué)號(hào)：120113303018設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)1前言設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備在使用過(guò)程中的狀態(tài)，確定其整體或局部正常或異常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)。通俗地講，它是一種給設(shè)備“看病”的技術(shù)。本文聯(lián)系高線廠預(yù)精軋機(jī)在實(shí)際工況條件下的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及根據(jù)采集到的振動(dòng)故障信號(hào)，對(duì)高線廠預(yù)精軋機(jī)進(jìn)行故障診斷，并簡(jiǎn)單介紹一下設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在高速線材軋機(jī)上的應(yīng)用。2狀態(tài)監(jiān)測(cè)表1是預(yù)軋機(jī)16#隹箱軸承參數(shù)。圖2、3是2006年5月30日和6月13日測(cè)得的頻譜分析圖是16#立式軋機(jī)

2、分別在轉(zhuǎn)速為610rpm和666rpm的轉(zhuǎn)速下測(cè)得的，兩圖有明顯的差異。雖然兩副頻譜中顯示的振動(dòng)幅值都表1預(yù)精軋機(jī)16搟隹箱軸承參數(shù)軸承序號(hào)滾動(dòng)體數(shù)Z節(jié)徑D()滾動(dòng)體直徑d()接觸角a1186.49610.866102206.56790.8125293186.49610.8823804123.74020.826805113.44490.8437406102.26380.530圖1預(yù)精軋立式機(jī)架錐箱結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)入ISO349磁轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)危險(xiǎn)區(qū)域，但兩次測(cè)得的結(jié)果一次基波振動(dòng)副值逐漸增加，且兩圖中二、三、四、五次諧波都有明顯的突起。證明錐箱內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)情況逐漸劣化，存在設(shè)備隱患。由于傳感器安裝位

3、置上的差異，機(jī)械振動(dòng)烈度未超出ISO3495標(biāo)準(zhǔn)并不能說(shuō)明設(shè)備是正常的。因此狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要每天進(jìn)行記錄，并要求將監(jiān)測(cè)到的結(jié)果與歷史記錄比對(duì)，從中找出變化趨勢(shì)，才能判斷出真實(shí)的設(shè)備狀態(tài)。Linmm/secRMSMagOH,mL圖2劣化前期頻譜分析00500oo50o00圖3劣化中頻譜分析3故障診斷高速線材軋機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)速度高、載荷變化頻繁、所軋制軋件溫度低的特點(diǎn)，設(shè)備的主要故障是主傳動(dòng)設(shè)備的軸承、齒輪失效故障，占了總設(shè)備故障時(shí)間的50犯上。傳動(dòng)設(shè)備的故障診斷，要通過(guò)在線監(jiān)測(cè)，在獲取機(jī)械大量信息的基礎(chǔ)上，基于機(jī)器的故障機(jī)理，從中提取故障特征，進(jìn)行周密的分析，才能進(jìn)行診斷。3.1 齒輪故障診斷由嚙合剛度

4、的周期變化形成的振動(dòng)信號(hào)X(t)無(wú)論齒輪處于正?；虍惓顟B(tài)下，這一振動(dòng)成分總是存在的。只是兩種狀態(tài)下振動(dòng)的水平是有差異的。當(dāng)齒輪的制造與安裝誤差、剝落、裂紋等故障產(chǎn)生時(shí)，齒輪的嚙合剛度降低，從而產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的振動(dòng)。這樣，測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)X(t)畸變加劇，在頻譜圖上，嚙合頻率處的譜值會(huì)增加得更大。同時(shí)，這些故障會(huì)直接成為振動(dòng)的激勵(lì)源，使齒輪振動(dòng)信號(hào)中含有軸的回轉(zhuǎn)頻率及其倍頻，而故障齒輪的振動(dòng)信號(hào)往往表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)頻率對(duì)嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制，調(diào)制頻率即為齒輪軸的回轉(zhuǎn)頻率fr=n/60。在頻譜圖上形成以嚙合頻率為中心、兩個(gè)等間隔分布的邊頻帶。由于調(diào)頻和調(diào)幅的共同作用，最后形成的頻譜表現(xiàn)為以嚙合頻率及其各

5、次諧波為中心的一系列邊頻帶群，邊頻帶反映故障源信息，邊頻帶的間隔反映了故障源的頻率，幅值的變化表示了故障的程度。由此可見(jiàn)，在已知齒輪齒數(shù)及轉(zhuǎn)速的情況下測(cè)取齒輪的振動(dòng)信號(hào)，并做頻譜分析，判斷嚙合頻率及高次諧波頻率處的譜幅是否異常，邊頻譜幅是否異常，即可診斷齒輪有無(wú)故障。3.1.1 齒輪常見(jiàn)故障齒輪本身的故障有以下幾種：一是造誤差：偏心，周節(jié)誤差和齒形誤差；二是裝配不良：不同軸，不對(duì)中，齒輪副的軸線不平行；三是齒輪的損傷：斷裂、磨料磨損、膠合撕傷、疲勞剝落等。3.1.2 齒輪的嚙合頻率和固有頻率嚙合頻率：fz=n1/60xZ1=n2/60XZ2(1)式中，m、n2為傳動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速(rpm

6、)；Z1、Z2為傳動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪的齒數(shù)。固有頻率：f工亞(2)22mm式中，m為齒輪副的等效質(zhì)量；K為齒輪副的等效彈簧常數(shù)(等效剛度)。齒輪在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，為齒輪承受沖擊載荷時(shí)發(fā)生的自由振動(dòng)，無(wú)論在正常和異常狀態(tài)下都有固有頻率產(chǎn)生。3.1.3頻譜分析根據(jù)錐箱齒輪的齒數(shù)，按(1)式可計(jì)算出16#軋機(jī)錐箱內(nèi)各級(jí)齒輪的嚙合頻率(見(jiàn)表3)。表2預(yù)精軋機(jī)16搟隹箱內(nèi)各級(jí)齒輪嚙合頻率輸入軸轉(zhuǎn)速n(rpm)III軸嚙合頻率(Hz)H田嚙合頻率(Hz)610355.63221.43666388.27241.76對(duì)應(yīng)圖2、圖3中振動(dòng)幅值明顯突出位置的基波頻率355Hz、387.5Hz與表3中計(jì)算后得到

7、的嚙合頻率進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算所得的I-R軸嚙合頻率與實(shí)際測(cè)得的基波振動(dòng)信號(hào)頻率幾乎完全可以對(duì)應(yīng)上，并且已經(jīng)出現(xiàn)了故障特征頻率的2、3、4、5倍頻。這說(shuō)明16#軋機(jī)振動(dòng)的原因可能來(lái)自于I-II軸傘齒輪的嚙合不良，或是齒輪存在某種情況的失效。3.2滾動(dòng)軸承故障診斷3.2.1 滾動(dòng)軸承失效形式滾動(dòng)軸承是是機(jī)械設(shè)備中最容易損壞的元件之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障約有30說(shuō)因滾動(dòng)軸承引起的。根據(jù)工況條件和工作環(huán)境不同，滾動(dòng)軸承的損壞情況及其原因是十分復(fù)雜的，一個(gè)出現(xiàn)故障的軸承可能同時(shí)存在多種損壞現(xiàn)象，而其中每一種現(xiàn)象都可能是由多種不同的原因引起的；同一個(gè)原因也可能引起多種不同的損壞現(xiàn)象。滾動(dòng)

8、軸承最常見(jiàn)的故障是疲勞點(diǎn)蝕及保持架失去平衡。3.2.2 滾動(dòng)軸承特征頻率的計(jì)算(外圈固定，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng))內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率：fr=N/60(3)內(nèi)圈滾道上一個(gè)剝落點(diǎn)的故障頻率：fi=1/2XZ(1+d/DXcosa)fr(4)外圈滾道上一個(gè)剝落點(diǎn)的故障頻率：fo=1/2xZ(1d/Dxcosa)fr(5)滾動(dòng)體上一個(gè)剝落點(diǎn)的故障頻率：fb=D/2dX1-(d/D)2cos2afr(6)保持架不平衡的故障頻率：fc=1/2x(1d/Dxcosa)fr(7)內(nèi)圈滾道不圓的故障頻率：fr,2fr,3fr,nfr。(8)式中，D為軸承節(jié)徑；d為滾動(dòng)體直徑；a為接觸角；Z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)；N為內(nèi)圈轉(zhuǎn)速(外圈固定)。對(duì)

9、應(yīng)圖2、圖3中振動(dòng)幅值明顯突出位置的表3經(jīng)計(jì)算得各軸承在兩不同轉(zhuǎn)速下的故障特征頻率輸入軸轉(zhuǎn)速n軸承序號(hào)fifofbFc(rpm)1 103.5879.2174.814.42 112.5390.5681.124.52368.2252.8252.012.95449.2631.4228.932.65543.9230.0526.542.75639.9627.1429.252.711113.0986.4881.684.812122.8698.8788.574.94374.4857.6756.783.22666453.7834.3031.582.89547.9532.8028.972.99643.6429.6231.942.96基波頻率355Hz、387.5Hz與表4中計(jì)算后得到的軸承故障頻率進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算所得各軸承故障頻率與實(shí)際測(cè)得的基波振動(dòng)信號(hào)頻率相差較遠(yuǎn)。這說(shuō)明從理論上講16#軋機(jī)振動(dòng)的原因不可能來(lái)自于軸承。5現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢查結(jié)果停機(jī)檢修發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況與診斷結(jié)果基本一致。I軸傘齒輪的嚙合不良，接觸面不足50%傳動(dòng)齒有一處點(diǎn)蝕現(xiàn)象，其它齒輪正常。更換齒輪后，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，再次測(cè)量錐箱振動(dòng)，已恢復(fù)正常狀態(tài)。6結(jié)束語(yǔ)通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在高線線材軋機(jī)上的應(yīng)用，幫助點(diǎn)檢維護(hù)人員確定傳動(dòng)系統(tǒng)中零部件確切的失效位置及其故