钢铁企业动旋转设备振动信号采集技术研究及应用

冯 杰， 马刘斌， 范小军， 梁晓凤， 王 鑫， 何英锋

（太原钢铁（集团）电气有限公司， 山西 太原 030003）

0 引言

钢铁制造过程涵盖采矿、烧结、炼焦、炼铁、炼钢、热轧、冷轧、带钢、钢管等工序。钢铁生产流程长、工序复杂、生产设备类型多样、设备工况及运行环境差异大。随着信息化与工业化的深度融合，信息技术渗透到了工业企业产业链的各个环节，工业传感器、工业自动控制系统、工业物联网等技术在工业企业中得到广泛应用[1]。钢铁企业设备管理逐步向集约化、数智化、专业化方向发展。

目前设备状态监测手段包括振动、润滑、磨损、电流、红外成像、超声、黏度等监测方法，其中以“振动+温度”的监测方法可感知钢铁企业动旋转设备最为广泛的设备故障，同时其技术可行性及经济性最优。动旋转设备包括电机、风机、泵、齿轮箱、轧机、卷取机、辊类、磨机、破碎机、压缩机等，是钢铁企业中的关键生产、环保设备。在生产线高速运转过程中，由设备所产生、采集和处理的数据量成指数增加，对计算机、网络等软硬件提出了更高要求。如何有选择性地、高效智能地采集、传输、储存有效信号，减少“垃圾”信号对系统资源的浪费成为企业面临的巨大挑战。

1 振动传感器技术要求

钢铁企业动旋转设备按运行工况可大体分为两类，分别为恒速恒载设备和变速变载设备。恒速恒载设备主要分布在铁前、炼钢工序，包括风机、泵、皮带机等；变速变载设备有分布在轧钢工序的轧机、卷取机、辊类等和分布在辅助工序的磨机、破碎机等。不同工况特点和运行环境对传感器应用技术提出极高要求。

振动传感器的主要技术参数包括供电方式、通信方式、安装方式、工作温度、防护等级、量程、灵敏度、频响范围、采样频率、分析频率、采样长度等。无线传感器具有布设灵活、安装成本低的优点，尤其是在故障率高或安装环境复杂的设备上，设备本体维护或检修需要频繁拆装传感器，一般情况下优先选择无线传感器。无线传感器由电池供电，如果采集频率过高，会使得电池电量消耗过快，不便于维护，相比变速变载设备监测要求高的采集频率，无线传感器更加适用于恒速恒载设备。在钢铁生产工序中，环境极其恶劣，要求传感器有高的防护等级，一般要达到IP65 以上，部分环境对传感器提出IP68 及防爆要求。部分高温场景（如烧结脱硫增压轴流风机轴承座振动监测）需要使用耐高温传感器。

振动传感器的选择需要同时考虑所监测设备的故障类别及运行条件。动旋转设备常见故障包括不平衡、不对中（联轴器故障）、结构松动、旋转性松动等工频故障以及滚动轴承故障、齿轮故障、泵的汽蚀和湍流等。恒速恒载动旋转设备的转速一般为600～3 000 r/min，工频故障特征频率一般在1～12 倍转频，且在速度信号中最为明显；轴承早期故障特征在最大分析频率为20 000 Hz 以下高频加速度信号可以发现，2 000 Hz 以下可以发现大部分齿轮故障。因此恒速恒载设备监测要求传感器有宽的频响范围（2～20 000 Hz），采样频率达到51.2 kHz（最大分析频率×2.56），采样频率确定的情况下，采样长度越长，频率分辨率（与采样时间呈反比）越高，换算公式如下：

式中：T 为采样时间；TS为采样点之间的时间间隔；N为采样长度；n 为谱线数；Fs为采样频率；Fmax为最大频率。

在动旋转设备振动分析中，一般要求频率分辨率最低达到0.5 Hz 以下，因此在测量定义时，应做好最大分析频率和采样长度的搭配。

相比恒速恒载动旋转设备的监测，变速变载动旋转设备有低速、重载、冲击的工况特征，转速范围一般为0～1 500 r/min，对低频信号的感知要求更高，要求传感器频响范围下限更低，一般采用0.4～15 000 Hz，多变的工况特征要求更高的信号采集频率，才能分析时刻变化的工况，因此多使用有线传感器[2]。

2 多轨制采集策略的建立

实现报警实时监测，要求数据采样周期短、回传速度快，数据要“小”；实现精密诊断，要求波形长度足够长，数据要“大”，存在数据“大”与“小”的矛盾；一种波形不能同时满足不同种类故障诊断需求，根据动旋转设备故障表现形式，将波形信号粗略分为高频加速度波形、低频加速度波形、速度波形。综合用途和经济性考虑，建立多轨制采集策略，将信号分为指标信号、波形信号、长波形信号，采集定义建议如表1、表2 所示。

表1 恒速恒载设备测量定义推荐

表2 变速变载设备测量定义推荐

3 采集策略自适应功能开发

既要高密度、多维度采集海量数据，避免有效信息的遗漏，也要最大程度避免无效信号的采集，降低系统传输、存储、处理数据的资源浪费。研发智能采集策略，实现无效数据占比降低25%以上。

1）加密采集策略：异常指标自动触发波形加密采集，及时抓取设备故障信息，快速推送诊断结论；

2）不采策略：配置启停机自识别策略或关联启停机、电流等信号，智能规避无效的停机信号采集；配置误信号与工况信号自识别策略，智能规避误信号与工况信号采集；

3）关联采集策略：关联转速、工况等信号，通过转速、工况等信号按配置规则触发采集，智能采集特定信号，提高信号质量。

4 采集技术应用案例

热连轧横切线精矫机电机功率为422 kW；转速范围为0～1 150 r/min，采用有线加速度传感器，磁吸+胶黏的安装方式，防护等级IP68，频响范围0.4～15 000 Hz，安装位置选取电机自由端水平、电机负荷端水平、减速机高速轴输入端水平。3 个测点按照表2 推荐配置测量定义，并配置加密采集策略。

2023 年3 月20 日3：01 电机两端速度RMS 连续6 点（3 min）升高（见图1、图2），且速率升高超过25%，触发指标报警（报警规则为持续3 个点超10 mm/s），同时启动波形加密采集（采集到3：04 的波形，见图3），速度频谱显示2 倍转频能量较高（见图4），分析为联轴器故障并推送诊断报告。检修发现联轴器与轴配合松动，键槽磨损严重。

图1 电机自由端水平向振动速度有效值趋势

图2 电机负荷端水平向振动速度有效值趋势

图3 电机两端水平向加密采集的振动速度波形

图4 电机两端水平向振动速度频谱

5 结语

综合考虑设备属性、工况特征及运行环境等因素，选用合适的振动传感器并配置合理的测量定义，捕捉到我们关注的故障特征，采用多轨制采集策略可同时满足报警实时监控和精密诊断的数据要求并精准捕捉设备异常振动信号，通过自适应采集策略的配置，可最大程度避免无效数据采集，提升设备监测质量和效率。