時域波形頻域分析在加熱爐風機故障中的應(yīng)用

1、時域波形、頻域分析在加熱爐引風機故障診斷中的應(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，機械設(shè)備工作強度不斷增大，生產(chǎn)效率、自動化程度越來 越高，同時設(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)濟損失，而且會 危及人身安全，后果極為嚴重。故而采用設(shè)備故障診斷技術(shù)，保證設(shè)備可靠而有效地運行是 極為重要的。設(shè)備故障診斷技術(shù)是20世紀7080年代迅速發(fā)展起來的一門多學(xué)科交叉和融合的新型技 術(shù)，它的應(yīng)用為保障設(shè)備安全運行、對設(shè)備故障的發(fā)展作出早期預(yù)報、對出現(xiàn)故障的原因作 出判斷并提出對策建議、為實現(xiàn)從

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

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)成信號的各種頻率成分都分解開來，以便于振源 的識別，亦即確定故障的部位。二、引風機的故障診斷高線二廠于 2003 年初建成投產(chǎn)，它的年設(shè)計產(chǎn)量為 50 萬噸，設(shè)計最高軋制速度是 110m/s。 其主要設(shè)備有兩座蓄熱式步進底式加熱爐，28 架平立交替軋機，3 臺卡斷剪，3 臺飛剪和 P/F 線懸掛運輸機，其中 4 臺預(yù)精軋機、10 架精軋機、夾送輥及高速吐絲機等主要設(shè)備由意大利 “達涅利”公司引進。兩座蓄熱式步進底式加熱爐各有兩臺鼓風機和一臺引風機，兩臺鼓風機為一用一備，而 引風機就沒有備用機了，所以，一旦引風機出現(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)濟損失。兩臺引風機均為懸臂式風機，其示意圖見圖 1。其中低溫爐引風機為Y9-38N010D 型離心引風機，電機型號為 Y280S-4，額定轉(zhuǎn)速為 1480rpm；高溫爐引風機為 Y8-39N011.2D 型離心引風機，電機型號為 Y280M-4，額定轉(zhuǎn)速為 1480rpm。兩臺引風機所使 用的軸承型號都為 22316，聯(lián)軸器都是彈性套柱銷聯(lián)軸器。軸承 3軸承 4圖 1引風機示意圖1、低溫爐引風機6 月 14 日，我們發(fā)現(xiàn)低溫爐引風機 4H 點（軸承 4 水平方向）振動值明顯加大：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 4H 點的瀑布圖（見圖 2）進行分析：其譜圖結(jié)構(gòu)有了非常明顯的變化，幾圖 2低溫爐引風機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4H 點的波形、頻譜（見表 1）進行分析：電機轉(zhuǎn)速 1480rpm，即 電機轉(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，同時還存在較大的 二到四倍頻的分量，除此之外沒有其它的頻率分量了，這說明不存在軸承、風機葉輪及松動 等隱患；而該時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)：低溫爐引風機 4H 點的時間波形與頻譜綜合報表 工廠:三鋼二高線 車間:機動部（10） 機器:低溫爐引風機 測點: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6.7135.7840.0188.2701.232脈沖指標峰值指標裕度指標歪度指標峭度指標3.2772.6603.804-0.933-0.1246 月 14 日上午日修時，將低溫爐引

7、風機開蓋檢查發(fā)現(xiàn)，由于受腐蝕，機殼上一塊約 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，促使振動值在短短的三天多時 間加大了 6 倍多。并且，當鋼板轉(zhuǎn)到高位時又掉回到低位，如此循環(huán)地轉(zhuǎn)動著。所以出現(xiàn)了 波形圖中上下不對稱的結(jié)構(gòu)，也是頻譜圖中出現(xiàn)二、四倍頻的原因。故障排除后，振動值就 恢復(fù)了正常，6.14 中班降為 1.695mm/s（見表 2）。由于對故障隱患的及時發(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機 4H 點的時間波形與頻譜綜合報表頻率(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1.5201.3970.0021.6951.115脈沖指標峰值指標裕度指標歪度指標峭度指標2.2362.0052.434-0.132-1.3482、高溫爐引風機近一段時間來監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，我廠高溫爐引風機 3A、4A（軸承 3、4 的軸向）的振動值有明顯地加大：3A 點，8月1 日為 5.242mm/s，8月9 日為 11.64mm/s；4A 點，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 點的瀑布圖（見圖 3、4）：由圖 3 可見，3A 點的譜圖結(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 點的譜圖 結(jié)構(gòu)沒有變化，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，我們對圖 3高溫爐引風機 3A 瀑布圖圖 4高溫爐引風機 4A 瀑布圖3A、4A 點的波形、頻譜圖（見表 3）進行分析：電機轉(zhuǎn)速 1480rpm，即電機轉(zhuǎn)頻=1480rpm/60s25Hz在 3A、4A 點的時域波形及指標中，沒有不平衡、不對中的信號出現(xiàn)；在 4A 點的頻譜圖中， 呈現(xiàn)出“梳狀”結(jié)構(gòu)，有較多的高次倍頻分量存

10、在，這是松動的表現(xiàn)；同樣在 3A 點的頻譜圖 中也有“梳狀”結(jié)構(gòu)，但與 4A 點略有不同：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 點都是 松動引起的故障隱患，又由于葉輪的裝配為過盈配合，松動的可能性小，所以應(yīng)該是在軸承 部位的松動，且 3A 點還有軸承故障隱患。表 3PMS 設(shè)備巡檢系統(tǒng)：高溫爐引風機 3A、4A 時間波形與頻譜綜合報表工廠:三鋼二高線 車間:機動部（6.5） 機器:高溫爐引風機 測點:4A平均幅值方根幅值均值有效值波形指標9.9018.592-0.03912.071.219脈沖指標峰值

11、指標裕度指標歪度指標峭度指標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:機動部（6.5） 機器:高溫爐引風機 測點: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9.3317.851-0.02911.641.248脈沖指標峰值指標裕度指標歪度指標峭度指標3.9123.1354.649-0.215-0.247經(jīng)對軸承開蓋檢查發(fā)現(xiàn)：3A 點軸承跑內(nèi)圈，4A 點軸承游隙達到 0.1mm，超過標準值近一 倍。8 月 19 日檢修時，我們更換了高溫爐引風機的軸承、軸及葉輪。更換后，3A 點的振動值為 3.060mm/s，4A 點的振動值為 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機 3A、4A 時間波形與頻譜綜合報表工廠:三鋼二高線 車間:機動部（6.5） 機器:高溫爐引風機 測點:3A平均

13、幅值方根幅值均值有效值波形指標2.3311.914-0.0153.0601.313脈沖指標峰值指標裕度指標歪度指標峭度指標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:機動部（6.5） 機器:高溫爐引風機 測點: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3.6043.0580.0334.5131.252脈沖指標峰值指標裕度指標歪度指標峭度指標4.0513.2354.774