高立新
(設備維修智能醫(yī)院)
摘 要：高爐爐頂氣密箱是典型的低速重載設備，雖然其額定壽命是10年，但由于負載、爐溫、操作、制造和維修等多種因素的影響，仍偶爾發(fā)生軸承破碎、螺栓斷裂、尤其是回轉(zhuǎn)輪系的大型支承卡死等故障，造成電機電流過高、氣密箱無法正常運行、高爐被迫休風停產(chǎn)的嚴重后果。因此，必須在高爐爐頂齒輪箱的振動監(jiān)測中提高其智能化水平，以自動實時的獲得報警信息，再通過大數(shù)據(jù)分析和故障診斷掌握其運行狀態(tài)，進行及時的有針對性的維修，保證高爐爐頂氣密箱正產(chǎn)運行。
關(guān)鍵詞：爐頂氣密箱；振動；智能監(jiān)測；實時報警
0 引言
高爐是煉鐵廠的核心設備，而爐頂氣密箱是罐式爐頂?shù)男呐K設備, 其布料方式靈活，布料器齒輪箱齒輪傳動系統(tǒng)相當復雜，其回轉(zhuǎn)支承、軸承、齒輪和螺栓等又是易發(fā)生故障的關(guān)鍵部件，圖1是大型回轉(zhuǎn)支承卡死故障, 造成高爐休風停產(chǎn)數(shù)天，因此，必須采用先進的監(jiān)測診斷技術(shù)，防患于未然。
圖1 某爐頂氣密箱回轉(zhuǎn)支承嚴重損毀
進入鋼鐵企業(yè)智能制造時代后，為了降低在爐頂煤氣環(huán)境下人工檢測的風險，實時準確的掌握氣密箱傳動鏈運行狀況，必須安裝以振動為主、電流、溫度、潤滑材料為輔的監(jiān)測系統(tǒng)，認為這類系統(tǒng)可有可無的觀念是錯誤的，這種觀念會導致企業(yè)無法實現(xiàn)智能制造。
1 系統(tǒng)主要硬件及功能
系統(tǒng)主要由無線傳感器、轉(zhuǎn)速模塊、路由器（現(xiàn)場通信采集管理軟件)、點檢儀、服務器（本地和遠程的監(jiān)測分析系統(tǒng)） 等部分組成，見圖2。
圖2 煉鐵高爐氣密箱振動智能監(jiān)測
1.1 無線振動傳感器進行信號采集
圖3 無線振動溫度復合傳感器
圖4 無線采集路由器
抗干擾能力強的無線振動溫度復合傳感器（圖3）具有如下特點：
（1）無須在現(xiàn)場鋪敷連接傳感器的電源和信號纜線，降低了成本。
（2）自備電池給傳感器供電，避免了傳感器供電電源線路的干擾。
（3）傳感器的內(nèi)部電路與傳感器外殼完全隔離，數(shù)據(jù)采集部分內(nèi)裝在傳感器殼體里，輸出數(shù)字信號，而數(shù)字信號傳輸過程中不會變化。
（4）藍牙（Bluetooth）通信在數(shù)據(jù)傳輸時候有數(shù)據(jù)校驗機制，確保數(shù)據(jù)準確傳送給無線采集路由器。
1.2 無線采集路由器進行數(shù)據(jù)傳遞、顯示和分析
圖4所示的路由器有藍牙無線通信接口，它不僅可與無線傳感器通信，也可連接其他使用藍牙接口的物聯(lián)設備，實現(xiàn)更多維度的設備狀態(tài)信息監(jiān)測。該路由器的蜂窩網(wǎng)絡接口和WIFI接口使其具備較強的網(wǎng)絡適應能力，能夠通過3G/4G或WIFI聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到服務器上。此外，該路由器還可以就地進行數(shù)據(jù)存儲（包括原始波形數(shù)據(jù)、FFT頻譜等），具有完善的就地分析工具，包括柱狀圖、波形圖、多種特征值等，具備完整的頻譜分析能力。無線采集路由器周期性地接收振動傳感器采集的信號，通過局域網(wǎng)或4G SIM 卡，將數(shù)據(jù)上傳到服務器。基于安卓平臺，內(nèi)置現(xiàn)場通信采集管理App，具備自動采集和現(xiàn)場分析功能。
以上硬件裝置保證了系統(tǒng)具有遠程分析和報警功能。
1.3 遠程監(jiān)測分析系統(tǒng)實現(xiàn)智能監(jiān)測
為了使專業(yè)人員及時掌握氣密箱運行狀態(tài)，遠程監(jiān)測分析系統(tǒng)可以實時時將故障信息顯示在Web PC端和Web移動端（手機等），在故障信息里，有零部件型號、元件名稱、測量值、報警級別(危險、報警)和采樣時間等（圖5）。
有了以上信息，再結(jié)合峰值、有效值、峭度等參數(shù)的趨勢圖，尤其是頻譜圖，就可以較容易的判斷有故障隱患的零部件了。
圖5 實時顯示故障信息
1.4 應用實例
無線振動溫度監(jiān)測系統(tǒng)于2020年5月投入使用，隨即對高爐爐頂氣密箱采集到的數(shù)據(jù)進行了分析，2020-06-03 18:25:33上部齒輪箱振動信號時域圖如圖6所示。
圖6 上部齒輪箱振動信號時域圖
出現(xiàn)25.39 Hz及其諧波50.78 Hz，還有950.2 Hz，975.59 Hz，這是旋轉(zhuǎn)傳動鏈I軸的松動特征；出現(xiàn) 228.52 Hz，這是22209CC的滾動體過內(nèi)圈頻率Fi，這表明旋轉(zhuǎn)傳動鏈I軸的22209CC軸承磨損，由于軸承內(nèi)圈磨損，導致旋轉(zhuǎn)傳動鏈I軸晃動。
據(jù)此，廠里加強了監(jiān)測，并提前做好檢修和備件等準備。
2 一種低速重載設備的監(jiān)測診斷方法
高爐爐頂氣密箱屬于低速重載設備，其特點是：承載量大、工作轉(zhuǎn)速低、運行中承受較大的沖擊載荷，早期故障信息特征微弱，環(huán)境噪聲大，其中部分設備旋轉(zhuǎn)周期不完全、運行工況呈典型的間歇性。該類設備一旦突發(fā)故障，將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。
低速重載設備的常見故障有：齒輪齒面磨損、點蝕、剝落、齒面鱗皺、輪齒燒結(jié)；斷齒故障；回轉(zhuǎn)支承零部件點蝕、滾動體破碎、保持架斷裂；滾動軸承零部件磨損、點蝕、滾動體破碎和內(nèi)外圈斷裂等；齒輪箱螺栓拉斷、螺栓松動等。
低速設備監(jiān)測主要困難有3點：①低速設備故障特征難提取。由于低速設備本身的特點，其零部件隱患從開始發(fā)展到故障會有較長的時間。但是在突發(fā)故障前的最后幾天，從微微有些感覺機器異常到突發(fā)故障，往往只有幾天，這種五官感覺如果沒有專用儀器做支撐，現(xiàn)場人員幾乎無法準確判斷并作出停機的決定，這種情況類似于人類的猝死；②低速重載機器在設計時，通常安全裕度大，使機器不易損壞，所以，故障次數(shù)較少；③由于前2個原因，造成故障數(shù)據(jù)少。這使得現(xiàn)場檢測診斷人員普遍畏懼低速設備檢測診斷。
為了解決以上困難，廠里采取長期與專業(yè)團隊長期合作的方式，積累故障數(shù)據(jù)，積極尋找低速重載設備監(jiān)測診斷方法。總結(jié)了一套高爐爐頂齒輪箱振動信號“間接診斷法”，即：下級傳動鏈低速零部件故障會引起上級傳動鏈高速零部件傳動不穩(wěn)定，在上部齒輪箱高速部分測點采集到的數(shù)據(jù)中也會出現(xiàn)低速零部件故障特征頻率。簡單的描述就是：大型回轉(zhuǎn)支承或傾動機構(gòu)出現(xiàn)故障時，在II軸的兩個齒輪嚙合頻率上通常會反映出來。
2014年7月29日，廠里對5號、6號高爐氣密箱用離線儀器做了第一次測試；事隔一年后，在2015年8月7日做了第二次測試；并在2016年9月2日做了第三次測試，發(fā)現(xiàn)5號高爐振動頻譜圖出現(xiàn)133.85 Hz，并且18.5 Hz處存在諧波時的幅值比前兩次上升了10多倍，由間接診斷法可知：吊掛大齒圈嚙合不好，回轉(zhuǎn)支承有故障隱患，并且隱患逐漸嚴重，及時檢修排除隱患后設備恢復正常運行。
3 結(jié)束語
以上實例說明，振動智能監(jiān)測系統(tǒng)可以有效保障高爐氣密箱正常運行，是煉鐵廠實現(xiàn)智能運維的措施之一。
（1）性價比高的無線振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是保證數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)。
（2）“簡接診斷法”可以較為方便的判斷低速重載設備故障隱患。
（3）堅持對鐵廠氣密箱等大型關(guān)鍵設備進行長期監(jiān)測診斷可以實現(xiàn)經(jīng)濟維修。
參考文獻
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