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振动监测及故障诊断技术在抛丸机组维护中的应

来源:未知 发布日期 2017-12-29 18:25 浏览:

摘要:
  本文就振动监测与故障诊断技术在酒钢集团宏兴股份公司不锈钢分公司抛丸机组中的应用,介绍了监测测点的选取和各种参数的选择方法,阐述了如何利用监测值进行数据趋势分析的步骤和方法,并结合抛丸机组实际应用中的故障实例进行了介绍与描述。

1、概述:
   现代企业,特别是大型企业,随着生产规模的不断扩大,大型精密设备不断增多和产能的不断释放,对设备的运行状况和检修时间的控制要求越来越高。不仅要求逐步减少甚至取消无故障时的检修维护时间,也要求在故障出现时,能够迅速确定故障源,达到高效、精准修复的目的。
   振动监测与故障诊断技术的应用,成为了设备运行状态和故障诊断的重要手段,它可以在各类设备运行中或在基本不拆卸零部件的情况下,判断故障产生的部位和原因,对故障进行早期预测和及时诊断,减少非计划停机损失,延长维修时间间隔,为设备的生产和维护提供决策依据。    本文抛丸机组为立式抛丸,主要由传动电机、   传动皮带、抛轮、丸粒输送装置等部件组成。传动1电机通过皮带传动带动抛丸轴上的抛轮高速旋f转,产生离心力和风力,当一定颗粒度的丸粒通过:丸粒输送装置流入进丸管(可以控制丸粒的流量)}时便被加速带人高速旋转的分丸轮中。在离』L}力i的作用下,丸粒由分丸轮窗口抛出进人定向套,在经由定向套窗口(控制丸粒的抛打方向)抛出,由:高速旋转的抛轮叶片拾起,将丸粒沿叶片的长度    方向加速抛出,抛出的丸粒形成一定的扇形流束,   均匀的击打在板材表面上,对退火后板材表面产i生的氧化鳞皮进行冲击,使其脱落除去,而抛丸机    使用的细碎的丸粒又不会对板材表面造成损伤,   因此能够达到除去板材表面氧化鳞皮的目的。   抛丸机组结构如图1所示。
图1抛丸机组结构图

图1抛丸机组结构图

2、监测测点和参数的选取:
2. 1、振动测点:
   在一个振动系统中,各个质点之间的质量、硬度、阻尼等都不尽相同。即使是在同一个质点,在不同的方向上它的激振力和振动量也不相同。为了更准确、敏锐的反映出质点的振动情况,测振点的选择应该按照以下几点原则进行:  
   (1)选择整个振动系统中的特性位置。例如各部件的连接处两侧、轴承的安装部位等有可能发生故障的特征点。
   (2)选择刚性支承点作为测点。相对于柔性支承点来说,刚性支承点对振动的吸收较小,能够更清晰,准确的反馈出振动参数。    (3)必须固定测点的位置和方向。监测探头必须与振动探测点之间保持相对的固定,如果探头在监测过程中无序晃动,对振动监测的结果会产生较大的干扰。
   基于以上原则,我们将测振点选择在抛轮轴机壳安装轴承的位置。抛轮轴一端安装皮带轮,通过皮带受到来自传动电机提供的扭力,另一头安装抛轮,抛射丸粒。首先,在这个系统中最容易发生故障的就是轴承,因此选择在轴承安装位置进行振动测量能够准确的反映出轴承的运行状态。其次,该点机壳内侧与轴承外圈配合,轴承内圈又与转轴配合,其刚性在整个系统中也比较好。再次,该处空间相对较为开阔,没有遮挡物,无论是对测振探头的布设还是对人员的测量都较为方便。抛轮轴的结构和测振点的布置如图2所示。
图2抛轮轴的结构及测振点布置图


图2抛轮轴的结构及测振点布置图

2. 2、振动测量参数的选择:
   在振动的描述中,有位移、速度、加速度这三个参量,他们都是描述振动幅值的物理量,表示物体动态运动或振动的幅度,是机械振动强度的标志,也是描述机器振动的严重程度的重要指标,机器运转状态的好坏,绝大多数情况下与振动值的变化成正比关系。运行状态好则振动值小,机器运行状态差振动值也会相应的变大。振动位移、速度、加速度之间的关系如图3所示。
图3振动速度、位移、加速度之间的关系图
图3振动速度、位移、加速度之间的关系图
    振动位移、速度、加速度的计算如公式2一1,2一2 ,2一3所示。
计算公式
    三者的相互关系可用数学表达式来表示。位移、速度、加速度都是同频率的简谐波,三者的幅值相应为A,Aw,A扩。而他们的相位关系为:加速度领先速度900;速度领先位移90°。
   在位移幅值一定时,速度幅值与频率成正比,加速度幅值与频率的平方成正比;加速度幅值一定时,速度幅值与频率成反比,位移幅值与频率的平方成反比;也就是说,加速度参数对高频振动较为敏感,位移参数对低频振动较为敏感,速度参数居于两者之间。因此,在实际操作中,进行低频类故障诊断时,应选用位移参量;在进行高频类故障诊断时,应选择加速度参量;而要进行较宽范围内的排查性监测时,宜选取速度参量。在抛丸机的诊断过程中,选取了监测范围较宽的速度参量作为测量诊断参数,以便于及时捕捉到故障信号,防止设备事故发生。
3、故障诊断中的振动信号分析:
3. 1、时域信号的分析:
   在振动测量中,测振得到的原始数据都是时间波形的形式,是振动过程最直观的表示。对于一些具有明显波形特征的图形,就可以用时域波形做出初步判断。
   (1)无故障时:时域波形表现为随机信号特征,振动幅值较低,整体振动较小。
   (2)劣化现象开始出现时:时域波形表现为随机信号+周期性信号特征,振动幅值有所增大。  
   (3)劣化状况较严重时:时域波形表现为周期性信号更加明显,振动幅值明显增大,谐波成分增多。
3. 2、频域信号的分析:
   由于某些形式的故障仅在某种特定的频率下发生振动异常现象,这种现象有助于区分出各种不同类型的故障。
   在进行故障分析诊断时,振动的频率是分析振动原因的重要依据,根据振动频率可以初步查明振动的性质和来源。为了研究一个周期性振动信号或者其他信号的内在规律,就需要用到频谱分析,频谱分析是振动信号处理中最基本的分析方法之一,广泛应用于各个领域。时域与频域的空间对应关系如图4所示。
图4时域与频域图形的空间对应关系



图4时域与频域图形的空间对应关系

    一个复杂的、非简谐的周期性振动信号,可以看作是很多个简谐振动的叠加,可以用傅立叶级数展开的方法得到一系列的频率成分。每个故障部件都有其对应的特征频率,可以据此来确定故障的性质和严重程度。但是,振动频率仅仅是一种参量,它与机器故障的关系并不是绝对一一对应的。也就是说,某一个特定的频率,可能与多种故障有关联。因此,不能单一的将某一个固定的振动频率与某一种特定的机器故障建立直接的对应关系,为了能够得到正确的诊断结论,往往要对机器所有的参量进行综合估计和分析。
   3.3、滚动轴承故障的特征信号分析:
   滚动轴承的损坏,主要因素之一是过大的动载荷即振动。转子不仅承受不平衡的压力,还承受不对中、松动、气蚀或其他故障引起的动载荷,进而导致其实际使用寿命缩短。轴承的结构及特征频率的相关参数如图5所示。
图5轴承的结构及特征频率相关参数
图5轴承的结构及特征频率相关参数
    根据轴承这些特征频率的相关参数,可以得出滚动轴承的故障特征频率,主要有轴承外环的故障频率、轴承内环的故障频率、轴承滚动体的故障频率以及轴承保持架的故障频率,相关故障特征频率的计算如公式3一1 ,3一2,3一3 ,3一4,3一5所示。   

轴承外环故障频率:

轴承外环故障频率:
轴承计算公式

    根据上述公式,可以计算出轴承的不同故障所对应的特征频率值,当出现故障时,该值会在振动测量的频域图谱中有所体现,进而能够准确的判断出轴承故障的部位和类型。
4、抛丸机组的主要故障形式及其对应的振动信号特征:
   在抛丸机组中,主要的故障型式和相应的故障频率特征有以下几类:
4.1、转子不平衡故障:
   转子不平衡是由于转子质量偏心或转子部件缺损而引发的故障,是最常见的故障之一,如图6所示,设转子质量为M,偏心质量为m,偏心距为e,如果转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零,即存在挠度a,由于偏心质量m和偏心距e的存在,当转子转动时将产生离心力、离心力矩或两者都有。
图6转子力学模型

图6转子力学模型
    离心力的大小与偏心质量m、偏心距e及旋转角速度。有关,即F=me扩。而交变的力会引起振动,这就是不平衡引起振动的原因。转子旋转一周,离心力的方向变化一个周期,因此不平衡振动的频率与转速频率一致。
   按照不平衡的产生形式分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡三种情况。原始不平衡是由于转子制造、装配和材质不均匀等原因造成的。渐发性不平衡主要是因为转子的不同部位长期累积油污粉尘等形成结垢块,或者转子部分磨损和腐蚀等原因导致局部质量发生变化而造成的,这类不平衡会随着时间的积累而慢慢加剧。突发性不平衡是因为转子上的零部件掉落或旋转通道吸人异物堵塞而引起。转子不平衡的主要频谱特征如表i所示。
表1转子不平衡故障的频率特征

表1转子不平衡故障的频率特征
4. 2、转子不对中故障:
   转子不对中包括轴承不对中和轴系不对中两种。轴颈在轴承中偏斜称为轴承不对中,轴承不对中本身不会产生振动,但在转子不平衡的情况下,由于轴承不对中会对不平衡产生反作用,进而会出现工频振动。
   机组各转子之间相连接时,如不在同一直线上就称为轴系不对中,会导致轴向、径向产生交变力,引起振动,当对中超差过大时,会造成轴承碰磨、油膜失稳、轴挠曲变形增大等问题。
图7轴系不对中的形式


图7轴系不对中的形式
    如图7所示,轴系不对中一般可以分为三种J清况:平行不对中,即轴系平行位移;角度不对中,即轴系交叉成一定的角度;综合不对中,即轴线位移和轴系交叉同时出现。造成轴系不对中的原因主要有安装误差、应力应变影响、温度变化引起热变形、基础沉降不均匀或连接螺栓松动等。由于不对中,将导致轴向、径向交变力产生,引起较大的轴向和径向振动,转子不对中的主要频谱特征如表2所示。
表2转子不对中故障的频率特征

表2转子不对中故障的频率特征
4. 3、转子动静件松动摩擦故障:
   转子与静止件发生摩擦有两种情况:一种是转子的内外缘与静止件接触而引起的径向摩擦;另一种是转子在轴向与静止件接触而引起的轴向摩擦。
转子与静止件的径向摩擦还可以进一步分为两种情况:一种是转子与静止件发生的偶然性和周期性的局部碰磨;另一种是转子与静止件摩擦接触弧度较大,甚至发生360°的全周接触摩擦。转子动静件松动摩擦故障的频率特征如表3所示。
表3转子动静件松动摩擦故障的频率特征

表3转子动静件松动摩擦故障的频率特征

5、抛丸机组振动信号的采集与分析:
5. 1、抛丸机组相关参数:
   抛丸机运行参数及相应的运转频率如下:  
 (1)抛丸机传动电机功率为45 KW;额定转速为1475r/min.其转颇为25Hz。
 (2)电机与抛轮的皮带轮传动比为1:1.6,抛轮转速为1475 x 1. 6 = 2360r/min,其转频为39. 33Hz。
 (3)经计算,抛丸机轴承型号及其对应的故障频率如表4所示。
表4抛丸机轴承型号及其故障频率
表4抛丸机轴承型号及其故障频率

5.2、抛丸机组振动测量时域、频域波形的分析与:
  抛丸机组在开展过检修维护工作后,在一个使用周期内各个时间段的振动值变化情况如表5所示。
表5抛丸机各测点振动幅值记录表

表5抛丸机各测点振动幅值记录表
  检修后一周,振动值趋于稳定,均控制在4mm/s以内;检修后45天时,已经出现劣化现象,振动值达到6mm/s以上;检修后50天时,振动值明显提升,劣化现象已经十分明显。经过振动监测后得到测点1的时域波形如图8所示。

图8测点,时域波形图
图8测点,时域波形图
    从图中可以看出,时域图波形十分规则,对称性较好,波形特征不是随机性出现,而是已经呈现出周期性的图形特征,且振动幅值已经达到20.86mm/s,远远超过刚刚检修维护完成后的振动值水平,振动值较大。
图9测点2时域波形图
图9测点2时域波形图
    从图中可以看出,时域波形中已经出现明显的削波图形特征,振幅并不是均匀分布,而是前窄后宽出现。振动幅值达到17. 95mm/s,已经出现了较为明显的劣化现象特征。这样的削波现象与转子动静件松动摩擦故障的频率特征相吻合,并且窄幅处与宽幅处幅值相差近20mm/s,属于较严重的削波现象。
   测点1的频域波形如图10所示。
图10测点1频域波形图
图10测点1频域波形图
    从图中可以看出,存在较高的1 x频39.38Hz,高次谐波最高有4x频成分出现,其中lx频和3x频的峰值较大。
    测点2的频域波形如图11所示。
图11测点2频域波形图


图11测点2频域波形图
    从图中可以看出,频域信号存在抛丸机主频的基频39. 38Hz及其谐波,高次谐波达到18倍频,这与转子不对中和转子动静件松动摩擦故障的频率特征相吻合。    结合时域与频域波形图的特征可以发现,时域图形中的削波现象和频域图形中的高次谐波的出现都与转子动静件松动摩擦故障的频率特征相吻合,并且都出现在2#测点即抛轮轴承的安装位置,故此我们判断安装在2#测点的3#轴承出现了松动现象。
   利用计划检修时间,对抛丸机进行分拆检查和验证发现,抛丸机2#测点即轴承型号为2215EC的3#轴承内圈与抛轮转轴的配合处出现了松动现象,轴承内圈与抛轮轴发生了全周径向的相对摩擦。松动及磨损情况如图12所示。
图12抛轮轴与3#轴承配合的松动与磨损实拍图

图12抛轮轴与3#轴承配合的松动与磨损实拍图
    验证实际结果与波形分析判断的结果一致。利用检修时间对已经磨损的抛轮轴和轴承进行更换后,振动幅值明显下降,振动幅值的前后对比如表6所示。
表6抛丸机各测点振动幅值记录表

表6抛丸机各测点振动幅值记录表

  可以看出,振动幅值已经由最大20. 86mm/s。

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