高速线材轧机信号监测与故障诊断技术研究

【摘 要】由于高速线材轧机具有轧制高速度、产品高质量、设备搞效率等特点，为产品的高产量和产品规格的大范围提供了保证。目前中国已成为拥有高速线材生产线最多、产量最高的国家，正因如此高线轧机设备的运行情况正常与否也显得尤为重要。若想使昂贵的制造设备发挥预期的经济效益，减少重大生产事故的发生，就要对机械设备的运行状态进行全面监测和分析，提前发现和排除设备故障隐患。

【关键词】高线轧机；故障诊断；信号监测

1.故障诊断国内外发展现状

机械设备的故障诊断最早产生于二十世纪六十年代。美国是最早研究故障诊断的国家，当时意识的定期维修弊病，开始变定期维修为预知维修，即在设备正常的运行过程中开始进行维护，以发现潜在的故障，及早采取措施防止突发性故障的产生。根据国内外故障诊断技术的发展特点，大致可分为两个阶段：

第一个阶段（20世纪80年代前）是故障诊断技术开始起步的阶段；第二各阶段（20世纪80年代后）是故障诊断技术走向成熟和实用的阶段。在国外，对故障诊断技术理论基础、技术方法及诊断装置进行了大量研究和开发。随着电子计算机技术、现代测量技术、信号处理技术以及信号识别技术等现代科学技术不断向故障诊断技术领域渗透，故障诊断技术逐渐跨入了实用系统化的时代。20世纪80年代开始，利用计算机对设备故障进行有效的辅助监测和辅助诊断已成为重要诊断手段。这些诊断系统主要应用于旋转机械、透平机试验设备的检测与诊断。

2.高线轧机诊断的实际意义

由于高速线材轧机具有轧制高速度、产品高质量、设备高效率等特点，为产品的高产量和产品规格的大范围提供了保证。因此，一出现即引起线材领域的革命性变化，在中国的线材生产领域也随之崛起强劲旋风。从1986年底我国建设了第一条高速线材轧机开始至今，中国的高速线材生产线已达上百条，中国已成为拥有高速线材生产线最多、产量最高的国家

河钢集团宣龙高速线材有限责任公司目前拥有三条高速线材生产线，其中包括一条高线与大盘卷复合生产线，产品规格可生产φ5.5-φ48线材及盘卷，线材成品出口速度设计105米/秒，保证速度85米/秒，三条生产线轧机均为28架次，其中精轧机均为10架次，从2001年6月第一条生产线开始投运，目前已成为河钢集团宣钢公司重要的效益支撑点。

由于生产初期缺乏预知维修手段，企业一直执行计划维修模式，周期点检以岗位工人感官检查和使用简易工具方法作为基本手段，尽管岗位上能够尽职尽责，依然无法及时准确地发现设备内部存在的问题，特别是在运行中隐患的早期症状，基本没有有效的诊断措施。因此采用先进、科学的技术手段和管理模式，减少人为因素的影响，把握设备的运行规律，制定合理的维护计划，及早消除设备的内在隐患显得越来越重要。

设备运行状态监测与故障诊断系统从提高设备预知维修能力出发，通过振动信号为主的综合监测，运用信号分析技术手段，对轧机设备常见故障进行监测诊断，利用网络技术实现远程状态监测与故障诊断，使设备运行处于受控状态，提高设备运行的可靠性、杜绝突发故障，实施预知维修，有效降低运行成本。

目前国内已建成的上百条高速线材生产线，高线轧机设备各机架间协同工作、载荷交变、冲击振动大、故障多为轴承保持架、外圈及滚动体故障，冲击断齿、装配不良故障次之，目前市场上的便携式数采一期难以有效地捕捉预知设备故障，亦无可参考的同类轧机设备故障的振动指标量纲，只有通过在企业内实施设备运行在线监测与故障诊断系统来进行高速线材轧机振动信号监测与故障诊断进行研究才是可靠的，此研究的目的：

针对高线轧机设备的运行特征选择适合的测量系统。

确定高线轧机设备作业状态对振动指标的影响以及故障的振动报警值。

比较现代信号处理技术在高线设备轴承故障诊断的应用，从而选择有效的信号分析手段。

研究分布式设备状态监测系统，实现基于WINDOWS DNA架构的网络环境下的远程状态监测与故障诊断。

高线精轧机通常是单台电机驱动增速机两路输出，通过长通轴驱动精轧机运行，其设计为模块化设计，奇偶数相对应的辊箱可互换安装，由于长通轴的振动传递使得各架轧机的振动相互影响。高线轧机振动监测主要是轧机齿轮箱的监测，由于齿轮及齿轮箱是机械设备中最广泛使用的一种传动零部件，而且在有齿轮装置传动的机械设备中80%的故障都与齿轮的故障有关，在旋转机械中齿轮的失效占故障的10%左右，齿轮箱的故障直接影响设备的安全可靠运行，降低加工精度和生产效率。由于高线轧机齿轮箱处于连续工作状态，且工况恶劣使齿轮箱故障造成的停机损失惊人，因此研究齿轮箱诊断对于降低设备维修费用，提高产品质量和市场竞争力，具有很大的经济效益和社会效益。

3.高线轧机监测与故障实例分析

经过分析发现在趋势方面，峰值幅值持续处在高位。从概率密度方面看，28架锥箱的概率密度曲线，与标准的概率密度正态分布相差很大。从自相关图方面看，有等时间间隔冲击出现。从频域看，I轴Y和G轴承保持架频率处出现明显倍频。结合离线点检系统波形分析，也反映出类似特征，据此分析，齿轮箱I轴上的部件故障隐患可能性最大。怀疑28#齿轮箱I轴上的齿轮及轴承等部件，C14（162250Y）轴承和C07（162250G）轴承有问题，经过事后拆卸处理，发现C14（162250Y）轴承滚动体部分剥落，与事前分析一致。

4.结束语

现代科学技术特别是计算机技术的飞速发展为设备状态监测与故障诊断技术的发展提供了良好的契机，新型传感器、混沌理论、分形几何、非稳态分析、协同学等理论技术的应用，将以前难以解决的信号处理或状态识别问题变为可能，闭环监控将逐步取代目前的开环监测与诊断将极大地促进企业设备的现代化管理，并可最大限度地发挥诊断系统的效能。