故障诊断技术在冶金企业设备状态检测中的应用.pdf

使用与维护 第2 9 卷2 0 1 1 年第6 期 总第 1 5 6 期 故障诊断技术在冶金企业设备状态检测中的应用 李丽徐松林李昌安陈欣 鞍钢股份热轧带钢厂鞍 山 1 1 4 0 0 0 【 摘要】 随着科学技术的发展 ， 冶金企业设备逐渐实现了自 动化和现代化 ， 为 了 保证 良好的设备运行状 态， 故障诊断技术已成为提高产品质量， 降低成本的有效手段， 该文探讨了将故障诊断技术应用于现场设备管理 的方法， 试图用更加科学准确的方法监测设备运行 ， 指导设备管理。 【 关键词】 故障诊断状态检测 设备管理 Ap p l i c a t i o n o f Fa u l t Di a g n o s i s Te c h n o l o g y i n M e t a l l u r g i c a l Eq u i p me n t S t a t u s I n s p e c t i o n L I Li ， XU S o n g -l i n ， LI Ch a ng -a n ， CHEN Xi n H o t S t r i p R o l l i n g Mi l l o f A n g a n g S t e e l C o ． ， L t d ． ， A n s h a n 1 1 4 0 0 0 【 A b s t r a c t 】Wi t h t h e a d v a n c e i n s c ie n c e a n d t e c h n o l o g y ， t h e a u t o m a t io n a n d m o d e r n i z a t i o n o f me t a l l u r g i c a l e q u i p me n t wi l l b e r e a l i z e d g r a d u a l l y ． I n o r d e r t o k e e p e q u i p me n t i n a g o o d c o n d i t i o n ， t h e f a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o gy h a s b e e n u s e d a s a n e f f e c t i v e me a n s t o r e d u c e c o s t s ． T h i s a r t i c l e d i s c u s s e s t h e a p p l i c a t i o n o f f a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o gy i n t h e s i t e e q u i p me n t ma n a g e me n t i n o r d e r t o mo n i t o r t h e e q u i p me n t o p e r a t i o n a n d d i r e c t t h e e q u i p me n t ma n a g e me n t i n t h e mo r e s c i e n t i fi c a n d a c c u r a t e me t h o d s ． 【 K e y w o r d s 】 F a u l t d ia g n o s i s ， e q u i p m e n t s t a t u s i n s p e c t io n ， e q u ip m e n t m a n a g e m e n t 1 故障诊断技术应用的意义 现代工业的快速发展使得企业设备向大型 化 、 连续化 、 高速 化和 自动化方 向发展 ， 因而在生 产中， 机械设备的故障诊断越来越受到重视。在 连续生产系统中， 如果某台关键设备因故障而不 能连续运行， 往往会影响全线设备的运行 ， 从而造 成巨大的经济损失。如何才能保证生产的连续 性， 减少设备特别是重要设备的停机时间， 成为企 业追求高经济效益 、 降低成本的目的。故障诊断 技术将为此提供一个有效的解决途径。 ～ 时间／ 月 事后维 修 传统的设备维修中， 大部分流程企业都采用 了预维修方式。按照这种方式， 钢铁企业约每隔 l O d 安排一个 l O h 左右的定期修理 日， 每年至少一 次一周左右的定期大修。这种相隔一定时间进行 的修理称为按时维修。与此对应， 不规定修理间 隔而是根据设备诊断技术检测设备有无劣化和故 障， 在必要时进行维修 ， 这种方式称为状态检查维 修或预知维修。 图1 表示了事后维修、 按时维修和预知维修的 工作量和停机情况” 1 。 时问／ 月 按 时维修 图 1 不同维修方式的工作量 时 间， 月 预 知维修 一 5 一 帆 一 一 盟 一 ， 日H Ha 一 | __1 厦 修 一 1 ～ ．．． ． ．． ．． ． ．， ．． ， ．， ．． L 第2 9 卷2 0 1 1 年第6 期 总第1 5 6 期 使用与维护 可 以清楚地看出预知维修造成 的停机时间和 维修费用都大幅度下降。设备的故障诊断避免了 机械设备 的突发故障 ， 从而避免 了被迫停机而影 响生产 ， 同时克服了定期维修带来的维修的盲目 性和不必要的经济损失以及使设备性能的下降。 在进行故障诊断中测得的信号多是时间的历 程函数， 为了充分地利用所测得的信号信息， 需对 其进行相应的处理和变换来提取诊断用的特征 量。常用的处理方法有数学变换、 时域分析、 频域 分析等。在此过程中大量应用了经典的数学理论 和方法 ， 最常用 的是傅立叶变换 相关数学理论在 此不做赘述 。 2 现场试验 在冶金工业生产中大部分机械设备都是旋转 机械， 随着旋转机械的逐步大型化、 连续化和自动 化， 其运行状态的好坏直接影响设备能否正常运 转和能否正常发挥作用 ， 因此为保证机组安全运 行， 降低机组维修费用和提高机组利用率， 大型旋 转机械的状态检测与故障诊断的研究就越来越受 到研 究者和工业部门的重视 。这里选择热轧带钢 厂 1 7 8 0 生产线5 号辅助风机作为研究对象。该辅 助风机主要负责1 7 8 0 线精轧活套电动机和压下电 动机的冷却 ， 该风机一旦 出现事故停机将影 响整 条生产线的生产 ， 属现场 的重要设备 ， 设备结构如 图2 所示。 风 机 图2 5 号辅助风机设备结构示意 设备参数如下 功率 7 ．5 k W； 转速 1 4 5 0 r ／ m i n ； 轴承型号 2 2 3 1 8 滚动体 1 2 个 ； 工作环境温度4 5 C ； 设计振动速度 阈值 4 ． 0 mm ／ s 。 由设备参数计算可知 风机轴转动频率F r 1 4 5 0 ／ 6 0 2 4 ． 1 7 H z ； 轴承保 持架故障频率 F o 0 ．3 8 1 ～ 0 ．4 9 ．2 ～ 9 ．6 6 8 H z ； 轴 承外圈故障频率 l 1 3 ． 1 H z ； 轴承内圈故障频 率 一 F o 1 7 6 ．9 4 H z ； 轴承滚动体故障频率 0． 1 8 NF, 5 2 ． 21 Hz 一 6 一 设备运转状态一般， 设备积灰较多 ， 噪声较 大， 经平时简单监测发现速度能量幅值较大， 决定 对其进行振动状态的测量， 在电动机地脚和风机 两端轴承座进行振动信号的采集工作 ， 测点布置 如图 3 所示 。 图3 振动试验测点示意 将振动信号回收后进行分析， 图4 和图5 分别 为传动侧和支撑侧轴承的速度时域和频谱图。 从频域图可以看出倍频的幅值均超过5 m m ／ s ， 按照I S 0 2 3 7 2 振动烈度标准属于c区， 为设备运行 不 满意状态 ； 按美国机械分析协会的振动标准衡 量 ， 该类 机械的振 动检查界限值 为 5 ． 6 m m ／ s ， 则 两 轴承都已接近该界限值。与当初设计的速度阈值 4 ． 0 m m ／ s 相 比已经超出 ， 表明系统已出现较为严重 的不平衡现象， 同时在时域图中可以看到明显的 削波现象， 特别是支撑侧轴承削波现象较为严重， 判断轴承处于润滑不 良状态 ， 推测有碰磨现象 发生 。 图 6为支 撑侧 轴承加 速度 的时 域 图和频谱 图。从支撑侧轴承水平方向加速度频谱图上可以 看出除一倍频能量较大外， 存在1 6 5 H z 的非同步频 率及其谐波， 并且能量远大于一倍频的能量。同 时在时域波形图可以看出其为一个调制的时域波 形 ， 如 图7 所示 ， 分析 可知转频被轴承内圈故障频 率调制， 判断支撑端轴承内圈存在故障。从传动 端轴承的速度频谱图可知也已出现了内圈的故障 频率 ， 但能量不是特别强， 说明传动侧轴承内圈也 已出现问题， 但较传动侧轴承稍好。 同时在传动侧 、 支撑侧径向和轴向的速度频 谱图8 中， 可以看到频率为1 7 ．5 H z 的能量冲击， 并 能看到该分数频的多个高次谐波， 考虑为部件的 磨损导致的松动， 特别是在轴承座轴向速度频谱 图中该频率的振动能量值甚至超过了轴承内圈故 障频率的振动能量值 ， 考虑为润滑不 良造成的摩 擦和碰磨导致零件配合不佳和松动， 从而产生了 使用与维护 第2 9 卷2 0 1 1 年第6 期 总第 1 5 6 期 径向和轴向的附加力。轴承座轴向速度频谱图反 轴承。 映出支撑侧轴承轴向所受的附加力要大于传动侧 一 吕 吕 一 赵 j Ii} 时 间／ ms 时域 图 一 { 宣 吕 一 越 甥 l 图4 传动侧轴承速度时域图和频谱图 4 3 2 1 0 趟 - 1 馏 一 2 曩 一 3 ．4 时间／ ms 时域 图 吕 昌 一 频谱 图 图5 支撑侧轴承速度时域图和频谱图 时间／ ms 时域 图 罨0 0 越。 。 频 率／ H z 频谱图 ～ ～ 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 频 g ／ H z 频 谱图 图6 支撑侧轴承加速时域图和频谱图 ● J 九 ． 6 』 J、 九 J 』 ．J 川l f I， ＼J ／ r ， ＼jlI Y ＼ 』 ． 1 ． 』 l IlllJ I ／ i 』 1 ／ T l I f 1 f l J ＼ J ， “ I ， l l ， l 、 f 1 J 【 I ／、 』 1 r 1 J 1 ， J I f l ， l f I J l f 、 ， 、 J I ／ l 一 、 ～I J l I ． 广 1 ， l ， l l ／ I 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 2 4 0 2 5 0 2 6 0 2 7 0 2 8 0 图7 支撑侧轴承调制时域波形图 停机检查发现轴承润滑状态不 良， 支撑端轴 承径向间隙值为0 ．0 7 m m， 已接近上限值0 ．0 9 m m， 鉴于该轴承上机时间已超过6 a 以及近期 的工作状 态， 建议年修时更换， 本次检修时对两侧轴承进行 了补充润滑脂的作业。 综合以上情况可以看出， 检测分析的结果基 本上是正确的， 起到了指导现场检修的作用。 一7一 一 s ， g g一 、 髓锻 第2 9 卷2 0 1 1 年第6 期 总第1 5 6 期 使用与维护 暑 g 频 率／ H z 传动侧 轴 向 ～ n 小 1 h ， k ～ 一 n 0 l O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 频“／ H z 传动侧 径 向 频率／ H z 支撑侧轴 向 图8 传动侧和支撑侧轴承速度频谱图 3 结束语 故障诊断技术经过5 0 多年的发展， 理论体系 较为成熟和可靠， 但实践又有别于单纯的理论研 究 ， 现场设备 处于较复杂 的环境 中运行 ， 其干 扰 因素远超过理论研究时的水平 ， 如真正希望故障 诊断技术在现场的设备检测中发挥作用， 需要对 被检测设备进行长期的规律性状态数据采集并 做好数据库建立工作， 然后根据不同设备的不同 情况 ， 进行趋势分析 ， 得到设备可靠 的运行参数 、 l临界状态参数等， 建立属于各单体设备的检测判 频率， Hz 支撑侧径 向 断标准 。 根据其在设备维护中的作用， 故障诊断技术 广泛应用将是未来现场设备维护的必然趋势， 值 得研究和关注。 参考文献 [ 1 】 韩大庆． 设备状态检测与故障诊断技术． 沈阳 东北 大学设备诊断工程中心， 2 0 0 5 2 4 ． 2 0 1 1 0 4 0 6 收稿 ； N ； 石 盎 坷 石 ＼ 疗 矗 ； e 石 睹蝣 、 日s 螺 奇 膏 [ 上接第4页] 运行稳定 ， 实现 了富油温度 自动调节 ， 避免了人工 调节富油和蒸气出口温度波动较大的问题， 使轻 苯的质量和回收率有了保障； 另外， 多重安全连锁 控制系统， 实现了富油温度 、 煤气量、 空气量相互 连锁 ， 点火 、 燃烧 、 火焰监测互相独立 ， 又相互制 约， 确保系统安全性。 1 管式加热炉的余热利用技术， 有效地提升 了整个系统的热效率， 节约了焦炉煤气， 大幅降低 了生产成本 。经统计每天降低焦炉煤气消耗 一 8 1 2 k m。 ， 焦炉煤气价格按 6 9 4 ． 2 1 元／ k m 计算 ， 每年运 行按照3 3 0 天计算 ， 年节约生产成本 2 7 4 ． 9 万元。 2 自动调节使富油温度控制更加平稳 ， 设备 开工率大幅提高。经统计轻苯产量提高2 t ／ d ， 轻苯 价格6 0 0 0 元／ t ， 年多创经济效益 3 9 6 万元； 两项合 计的年效益达6 7 1 万元。 总之 ， 管式加热炉的开发应用 ， 取得了显著的 经济效益和社会效益， 值得广泛推广应用。 2 0 1 0 - 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