湖南省湘潭市湘钢高级技工学校 411101
摘要：设备全生命周期健康状态监测诊断系统秉承国际前瞻性的维护保障理念---“未病先防、既病防变”，改变了现有设备的常规检修思路和方法，从普遍采用的定期检修向以提高设备可靠性为核心，基于设备实际状况的状态检修转变，真正实现了预测维修和主动维修。常规技术分析，本质上都是事后才发出报警，即在故障实际发生以后发出报警，工厂运维人员只能实施事后维修、非计划停机、承担巨额维修费用和生产损失。应力波分析技术对设备运行状况进行全生命周期的监测和诊断，做出最早及可靠的侦判，对潜在的故障发出预警，提醒设备维护人员及时采取恰当措施，避免非计划停机和安全事故，减少维修费用、备件成本，保障设备的可靠运行。本文介绍了应力波分析技术在冶金机械设备生命周期中的监测的应用。
关键词：应力波分析技术；应力波能量图；直方图；频谱分析
前言
科学技术的日益发展，使工业生产中的机械设备向着自动化、科技化、精确化的方向发展。结合智能制造与大数据、云服务等，将大量现场设备运行与状态数据采集工作交给设备自动采集，将设备人员从该部分工作中解放出来，有异常则报警提醒点巡检人员采取相应措施，数据进入公司设备云数据库，授权人员均能通过客户终端或手机等随时了解相关设备的运行状态。
1 应力波分析技术
1.1应力波检测原理
应力波检测系统由应力波传感器、信号处理单元和控制显示单元三个部分组成。应力波传感器安装在设备轴承、齿轮箱等运动部件附近的表面，通过运行设备构件传输的摩擦、机械冲击和动态载荷的应力波信号是超声波频率，传感器中的压电晶体将应力波振幅转换为电信号，然后在模拟信号调制器中通过高频带通滤波器进行放大和滤波，以去除设备正常运动的低频噪声和振动能量。
1.2应力波分析与振动分析的比较
振动分析技术通过监测设备运行过程中的位移、速度、加速度来判断设备健康状态。主要监测机械设备非平稳运动的现象。振动监测主要为中、低频信号监测，主要监测故障发展的中后期，而应力波分析技术相当于计算机控制的听诊器，可以在设备产生严重损坏，并最终被传统技术检测到之前（振动、碎屑、发热），对设备的健康状态进行最早期的监测和诊断，防止故障的发生和恶变。应力波检测相对于传统检测技术来说，是在实际损坏发生之前，一直在监测设备的运行状态，是一种预测维修手段，支撑主动维修的实现。
2 应力波分析工具
2.1应力波能量图（SWE）- 第一道防线
应力波能量历史趋势图通过系统在日常运行中采集数据而生成。它显示出应力波能量随时间推移的变化趋势，通过绿区、黄区和红区三个区域的图形化表示设备的健康趋势。
2.2直方图 - 随机性事件
应力波振幅直方图通过Y 轴表示摩擦事件的数量，X轴表示单个摩擦脉冲的峰值幅度。该工具检测应力波脉冲串中每个脉冲的峰值幅度，并将其分布到对应每一读数值的电压刻度。在正常运行状态下，设备处于最佳性能，分布是窄的呈正态分布的钟形曲线并处于电压的低值端。而在异常、摩擦和冲击事件发生时，越来越多的高振幅摩擦事件发生，结果是一个更广泛的分布，即在振幅刻度上“倾斜”到右边。
2.3频谱分析（FFT）- 周期性事件
应力波频谱是分析应力波脉冲串以检测其频谱内容，应力波分析只检测能够激发传感器在超声波频率的事件，所有与设备动力学相关的低频振动都被过滤掉，剩下的只是激波或摩擦调制事件的时间历史。健康设备发生的冲击事件最少，因此频谱是一个相对平坦的水平线。而在有局部损伤区域的情况下（如滚动轴承的座圈或齿轮的一个齿剥落），当损伤区域与匹配部件接触时，会发生重复的冲击事件。这种重复的冲击事件在频谱中显示为，它发生的频率上，谱线尖峰超过背景水平10dB 以上。当发生尖峰时，分析齿轮和轴承元件的几何形状和它们旋转的速度，可以确定在该频率下可能引起冲击的部件，从而指示损坏的部件及其位置。
3 应力分析技术在冶金机械设备生命周期中的监测
应力波分析技术能够对设备进行全生命周期的监测，对设备的非正常状态在早期的时刻做出侦判，该技术已被证明可有效地检测轴承故障、齿轮故障、旋转部件故障以及由于制造缺陷或不适当的装配引起的一般电气故障和机械故障。应力波传感器通过夹持件安装在轴承法兰的螺栓上，传感器通过线缆与固定式数据采集箱相连，固定式数据采集箱和服务器电脑通过网线进行连接。
下图描述了冶金企业干熄焦提升机减速机全生命周期健康状态监测诊断系统的网络拓扑与波传感器测点布置图，系统的详细配置如下：提升机减速机部署应力波传感器 6 个点，走行减速机部署应力波传感器 5 个点，通过屏蔽线连接到 1 个数据采集箱；分析软件服务器部署在监控室通过以太网网线和以太网交换机连接数据采集箱；客户端为设备管理部门的工作电脑，通过公司内部的局域网访问分析软件服务器。
图1 应力波监测诊断系统的网络拓扑与波传感器测点布置图
基于应力波能量以及FFT频谱分析工具诊断出：2#电机高速轴齿轮啮合不良、3轴轴承外圈故障、以及输出端应力波能量增大一倍。通过应力波能量变化趋势（图2）及FFT频谱图（图3），2#高速轴的FFT频谱中出现360Hz频谱波峰，经计算，此频率为高速轴的齿轮啮合频率，并且幅值到达了0.15V，表明设备存在齿轮啮合不良的问题。
图3 FFT频谱图
4.结语
采用应力波状态监测传感器对设备的运行状态进行检测监测、对设备运行参数进行采集、对设备的基础信息数字化处理；采用统计分析和数据挖掘分析等手段，对所采集的多维多态数据进行分析处理，为设备运营商掌控系统运行状态、制定维护维修计划、快速故障定位和维修等提供数据支持，达到提高设备运行效率、节约运维成本，并因此获得经济效益；同时，能够为制造商产品质量品质提升提供有效的运行数据支持
参考文献：
[1]王旭光.设备全生命周期管理理念与方案[J].经营管理者.2014，36：129
[2]夏红宇，李兴华，张挺.简述油田机械设备状态监测与故障诊断技术[J].化工管理，2017（29）：96-97
论文作者:刘丽
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/15
标签：应力论文; 设备论文; 频谱论文; 传感器论文; 故障论文; 技术论文; 事件论文; 《防护工程》2018年第31期论文;