高线减定径机组状态监测系统研究

苏金环，薄伟兵，许黎明

(1．上海交通大学机械与动力学院，上海200240;2．宝钢股份特钢事业部条钢厂，上海200940)

高线减定径机组状态监测系统研究

苏金环1，薄伟兵2，许黎明1

(1．上海交通大学机械与动力学院，上海200240;2．宝钢股份特钢事业部条钢厂，上海200940)

为提高减定径机组的可靠性，宝钢股份特钢事业部条钢厂利用NI公司的硬件设备和LabVIEW虚拟仪器开发平台构建了高线减定径机组在线状态监测系统，对设备运行状态进行实时振动监测和故障分析。经过实践运行，系统稳定，可靠。

减定径机组;状态监测;故障诊断;数据采集

0 前言

宝钢特钢线材分厂不锈钢线材连续生产线，自动化程度高，减定径机组(Reducing and Sizing Mill)是高速线材轧制生产线的关键设备，运转速度高、载荷变化频繁。提高减定径机组的可靠性，对于保证生产的正常运行具有重要意义。

目前，该机组主要依靠人工点检和简易检测工具来掌握其运行状态，不能有效的预测和预防设备将出现的故障;同时由于缺乏必要的连续检测数据，发生故障后也无法做出正确的诊断。因此，建立状态监测系统，对减定径机组运行的过程状态参数进行监测和分析是判断设备是否正常运行，是否存在潜在故障及预测故障发展趋势等问题的有力手段。

1 系统结构

1.1 传感器选择与测点布置

状态监测系统的传感器是整个系统的信息来源，传感器信号的准确性和测点布置的合理性直接影响系统的可信度。减定径机组传动系统结构复杂，三联齿轮箱和锥箱转轴速度高，变化范围大。根据减定径机组传动系统的结构特点，本系统选用美国PCB公司ICP 603C01(数量49)和606A01(数量10)两种型号的压电式加速度传感器，这类传感器内置电荷放大器，具有体积小、灵敏度和可靠性高、抗干扰能力强、安装方便、使用寿命长等特点。

限于篇幅，本文对传感器测点位置不一一列出。选取测点位置的原则是在轴承座刚度大的地方，并尽可能选择在载荷密度最大的位置，以便尽可能多地获取传动轴上各零部件的振动信号，反映设备的运行状态。

1.2 硬件配置

系统硬件选用美国国家仪器(NI)公司PXI模块化仪器平台，硬件组成见表1。

表1 系统硬件组成

1.3 软件配置

系统软件主要采用美国国家仪器(NI)公司研制开发的Labview 2010图形化编程语言，在英文WINDOWS 2000/XP环境下运行，具有系统配置、状态监测和信号分析、故障诊断和网络通讯等功能，使用简便。软件的主画面如图1所示。

图1 监测系统主画面Fig.1 Home screen ofmonitoring system

2 系统主要功能

2.1 系统配置

在系统配置中，可以对系统运行的各类参数进行设置，如采样频率、采样数据长度、量程、报警上下限和故障诊断所需要的设备参数，如电机转速和三联齿轮箱各离合器的状态，原始数据存储时间间隔和存储时间长度、信号分析方法等。通过系统配置，在不改变软件的前提下，可以满足修改监测设备参数的需要。

2.2 状态监测和信号分析

系统能够用数字、曲线和表格形式实时显示测点的状态，可以对需要监测的参数和显示方式等进行在线修改，直观形象的显示设备的状态，并且在出现异常时进行报警。

系统提供时域分析、频域分析和时频分析等多种信号分析方法，可以根据需要在线进行选择。如在波形图中，可以对振动峰值、绝对均值、有效值、峭度和波峰因子等特征数据进行在线生成;在频谱图中，可以在线生成振动的中心频率、均方频率、均方根频率和频率方差等。

2.3 故障诊断专家系统

针对高线减定径机组传动特点，建立机组齿轮和轴承故障形式和频谱特征知识库;结合不同轧制规格，建立齿轮箱传动与轧制规格对应关系数据库，系统采用基于统计理论和人工智能的旋转机械状态识别算法进行在线或离线诊断。目前，系统具有较强的征兆自动获取能力，能够自动诊断轴承间隙增大、齿轮点蚀、局部断齿、轴承内外圈故障和滚动体故障等。

3 实例分析

本系统投入运行后发现减定径机组1号150锥箱34#Ⅱ轴传动侧径向水平测点振动异常，其振动速度有效值4.67 mm/s，振动速度峰值高达16.70 mm/s，34#Ⅱ轴运转速度1 865.73 r/min，时域波形如图2所示。从时域波形图中可明显看出具有规则的周期性的冲击成分，时域特征参数指标峰值因子3.58，峭度因子2.56，这两个值反应信号中冲击能量偏大，有故障存在。

对时域信号作频谱分析，从频谱图3中可以看出在1.09 kHz、2.18 kHz和3.27 kHz处有冲击频率出现，且三个频率成倍数关系，其中信号主要频率1.09 kHz附近存在谐波。为分离和提取频谱中的周期成分，对信号进行倒频谱分析，在图4所示的倒频谱图中0.03215 s处有明显的突起峰值谱线，对应频率为31.10 Hz，与轴频相同。

34#Ⅱ轴传动侧为16齿螺旋伞齿轮，齿轮啮合频率497.6 Hz。频谱图中的冲击频率1.09 kHz是齿轮啮合频率497.6 Hz的2.2倍，判定螺旋伞齿轮齿轮存在故障。利用设备停机时间对34#Ⅱ轴进行拆检，发现16齿螺旋伞齿轮小端的两个齿面存在点蚀故障，如图5所示。

图5 故障齿轮Fig.5 Gear with fault

4 结论

本文利用美国NI公司的硬件设备和Lab-VIEW虚拟仪器开发平台构建了高线减定径机组状态监测系统，系统硬件配置合理，软件设计灵活，经过一段时间的实践运行，系统稳定可靠，能够满足高线减定径机组在线状态监测和故障诊断的需要，提出了高线减定径机组状态监测和故障诊断的一种新的解决方案。

［M］．北京:机械工业出版社，1997．

［2］National Instruments Corporation．NIPXI－8110 user manual and specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2010．

［3］National Instruments Corporation．NI PXI－1042 series user manual and specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2004．

［4］National Instruments Corporation．NI 4498x specifications［M］．［S.l．］:National Instruments Corporation，2008．

［1］韩捷，张瑞林．旋转机械故障机理及诊断技术

Research of condition monitoring system for high-speed w ire reducing and sizing m ill

SU Jin-huan1，BOWei-bing2，XU Li-ming1
(1．School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China;2．Bar Steel Plant，Special Steel Business Unit，Baoshan Iron and Steel Co．，Ltd，Shanghai200940，China)

In order to improve the reliability of the reducing and sizing mill，Baosteel Special Steel uses NI hardware and LabVIEW virtual instrument development platform to build conditionmonitoring system of highspeed wire reducing and sizingmill to vibrationmonitoring real－time and faultanalysis．It is proved stable and reliable．

reducing and sizingmill;condition monitoring;fault diagnosis;data acqusition

TG333.62

A

1001－196X(2012)04－0056－04

2012－03－26;

2012－04－17

苏金环(1983－)，男，上海交通大学工程硕士，从事机械设备状态监测与故障诊断研究。