CN102692449A - 一种通过综合分析对高炉炉顶齿轮箱的故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过综合分析对高炉炉顶齿轮箱进行故障诊断的方法，运用声发射信号分析、无线测温分析和油液分析对高炉炉顶齿轮箱进行故障诊断。首先，安装声发射传感器并设计应用于高炉炉顶齿轮箱的无线测温系统；实时采集声发射信号和无线温度信号，对采集的声发射信号依次作形态滤波、小波降噪和希尔伯特解调处理；对无线温度信号作趋势分析；通过定期的油液检测，对油样进行常规理化指标检测，并应用光谱、铁谱分析对油样中金属磨损物的成分和含量进行定性和定量分析；将三种分析结果进行比较和综合，做出故障诊断报告；能有效提高故障诊断的准确率，便于尽早发现故障隐患，避免重大事故的发生。

Description

一种通过综合分析对高炉炉顶齿轮箱的故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种高炉炉顶齿轮箱的故障诊断方法，特别是一种综合运用声发射信号分析、无线测温分析和油液分析对2000m³高炉无料钟炉顶齿轮箱故障诊断方法。

背景技术

作为大型低速重载设备的高炉炉顶齿轮箱是高炉布料的关键设备。这类设备的主要特点是工作转速低，承受载荷大，运转不连续。由于低速运转，载荷复杂多变，设备长时间运行，加上生产环境恶劣、润滑不良的原因，设备容易发生故障。一旦突发故障，将直接影响到高炉乃至整条生产线的正常运行，严重时甚至造成人员伤亡，而设备结构的复杂性使得维修起来十分困难，维修费用很高，给企业造成巨大的经济损失和不良影响。因此，对高炉炉顶齿轮箱的状态监测和故障诊断具有十分重要的现实意义。

目前，以电机电流检测在高炉炉顶齿轮箱故障诊断中的应用最为广泛。但仅靠检测电机电流检测，一般很难将故障控制在萌芽阶段，也不能判断全部类型的故障和故障定位。运用油液检测分析技术可以获取设备的润滑和损伤状态，确定设备发生故障的部位和类型。但相比对声发射信号和齿轮箱内部温度的实时采集和分析，采用定期提取油液进行分析的方法在及时发现设备故障方面存在局限性。因此，应用声发射检测技术对微弱故障信号进行特征提取，并将其与油液检测技术及无线测温技术进行综合，能有效地克服单一方法进行故障诊断的不足，提高诊断的准确率。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种对高炉炉顶齿轮箱进行故障诊断的方法，及时发现高炉炉顶齿轮箱的故障隐患，提高故障诊断的准确率，为钢铁企业提供有效的维修建议，为高炉炉顶齿轮箱进行成功的故障诊断提供重要的理论基础和实现方法。

为实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种综合运用声发射检测分析、无线测温分析和油液分析对2000m³高炉无料钟炉顶齿轮箱故障诊断方法，包括如下步骤：

声发射测点选择在上部齿轮箱的旋转电机输入端和输出端及大齿轮箱外壳水平方向和垂直方向共6个测点，检测裂纹扩展的声信号，用来监测上部齿轮箱轴承和齿轮、下部大齿轮箱的连接轴及大齿轮箱内部的轴承和齿轮的运行状态。传感器的安装方式是在选择好的测点位置将与传感器接触表面打磨光滑，然后涂抹上耐高温的真空脂，使声发射传感器底座与被测物表面直接接触。传感器的固定方式采用高强度磁力座进行固定。

声发射信号分析：

将声发射传感器实时采集到的声发射信号经电缆传输至数据采集器中进行放大、深度滤波和A/D转换后上传至计算机中，对信号进行形态滤波处理。作出结构元素过程中声发射信号能量比SNER的值随结构长度增大时的变化情况图，取SNER值最大时的结构元素对信号进行滤波。然后将滤波后的信号进行小波降噪处理。具体步骤为：先选择一个小波基和分解层数，对信号进行小波分解；确定阈值函数，选择通过阈值规则得到的阈值对分解得到的高频系数进行量化；根据量化后的最低层低频近似信号和各层高频细节信号，作小波重构。最后，对小波降噪处理后的信号进行希尔伯特解调分析。找出低频段突出的频率成分，判断这些频率成分是否存在故障特征频率的基频和倍频的关系。如果存在，判断为有故障隐患。再根据基频成分，对比依照理论和公式计算得到的故障特征频率，判断故障发生的部位。

无线测温分析：

设计应用于高炉炉顶齿轮箱的无线测温系统，包括无线测温采集装置、无线测温传输装置、无线路由中继站、无线中心接收站、数据采集软件。

该无线测温系统可用于各种物体表面温度数据采集与无线传输，它通常独立安装在现场，将采集的数据定时发送至距离最近的中继站，再由中继站将采集的数据传输至中心站，也可以直接将采集的数据传输至中心站。

用无线测温采集装置，即温度传感器将被测部位的温度信号传给无线测温传输装置进行传输。由于现场的环境与监测距离各不相同，采集装置与传输装置的安装也应作出相应的调整，以排除干扰。

无线测温传输装置用于接收温度传感器发出信号并将其转化为标准的电压信号进行下一步的传输，从而保证数据在无线网络中的正常传输。通常情况下，传输装置与采集装置邻近安装，确保数据的稳定传输和转化。

无线路由中继站是该系统的主要网络设备。它是一种无线路由转发装置，它平时处于“待接状态”，一旦接收到采集的数据信号或其它中继站转发的数据信号时，便将接收到的数据信号发送到下一个中继站或无线中心接收站，覆盖范围广，它具有信号传递“接力”功能，使数据的传输距离到达要求。

由于无线传输的特殊性，实际工程中，对于某些较差的传输通道，可能进行现场调整，根据现场的实际环境，适当的增加一些无线路由中继站节点，以提高系统的可靠性。

无线中心接收站是一种无线接收装置，通常安装在计算机房内。它负责接收无线网络中传输的信号，将接收到的数据信号通过有线连接进入计算机网络系统。

数据采集软件，驱动A/D卡完成工业信号(温度信号)的数字化转换，对信号进行自动规则化保存和分类以供分析，对超标工业信号进行提示，数据保存的数量、周期可软件控制，真正实现了温度信息的实时监测和分析。

对测得的温度数据进行趋势分析，与其正常运行时阈值范围比较分析，判断有无故障隐患。

油液分析：

定期提取高炉炉顶齿轮箱中的油样。在检测油液常规理化指标的基础上，应用光谱、铁谱分析技术对油样中金属磨损物的成分和含量进行定性和定量分析。根据检测结果做出判断：油样中的金属磨损物中有任一成分的含量超过设定值，判断为有故障隐患；油样中的金属磨损物中无一成分的含量超过设定值，判断为无故障隐思。

综合分析：

所述的油液分析定期检测，若判断有故障，则写出故障诊断报告，建议厂方检修；所述的声发射信号分析和无线测温分析：实时监测，综合比较声发射信号分析和无线测温分析的分析结果，如果均判断轴承发生故障，则写出故障诊断报告，建议厂方检修；如果声发射信号分析和无线测温分析其中一个判断有故障，另一个判断无故障，则缩短油液分析取样周期立即进行油液分析并得出分析结果，如果判断有故障，则写出故障诊断报告，建议厂方检修；如果油液分析判断轴承尚无故障隐患，则近期密切关注高炉炉顶齿轮箱的运行状态，并再次进行综合分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)与传统方法的安装位置有极大的差异，不再是安装在设备壳体或基座上进行间接测量，而是直接在回转机械被测元件处放置温度采集装置，使测量结果更准确、更可靠。

2)采用无线传输方法，提高了数据传输效率，简化了系统的安装，省去了布线的步骤，极大地提高了设备监测的便捷性，提高了设备故障诊断系统的工作效率。

3)采用形态滤波和小波降噪的声发射信号分析方法，通过形态滤波和高频系数阈值处理先后两次对振动信号进行降噪处理，有效地提高了信噪比，有利于被强大工业现场噪声淹没的微弱故障信号特征的提取。

4)将声发射信号分析、无线测温分析和油液分析综合起来对高炉炉顶齿轮箱的运行状态进行判断，可以克服单一方法进行故障诊断时出现误诊的局限性，能有效提高故障诊断的准确率，便于尽早发现故障隐患，实现预知维修。

附图说明

图1是本发明的总体流程图；

图2是声发射信号分析流程图；

图3是高炉炉顶齿轮箱结构的示意图；

图4是声发射传感器安装示意图；

图5是无线测温分析流程图；

图6是温度传感器安装示意图；

图7是油液分析流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种综合运用声发射信号分析、无线测温分析和油液分析对2000m³高炉无料钟炉顶齿轮箱故障诊断方法的流程为：分别对高炉炉顶齿轮箱运用声发射检测技术、无线测温技术和油液检测技术，然后综合三者的结果进行最终的故障诊断。

如图2所示，是声发射信号分析主要有四个步骤：

1)图3是高炉炉顶齿轮箱结构示意图，B1-E20为高炉传动系统上齿轮标号。图4是声发射传感器安装示意图。声发射测点选择在上部齿轮箱的旋转电机输入端和输出端及大齿轮箱外壳水平方向和垂直方向共6个测点，如图中标号A1-A6，检测裂纹扩展的声信号，用来监测上部齿轮箱轴承和齿轮、下部大齿轮箱的连接轴及大齿轮箱内部的轴承和齿轮的运行状态。传感器的安装方式是在选择好的测点位置将与传感器接触表面打磨光滑，然后涂抹上耐高温的真空脂，使声发射传感器底座与被测物表面直接接触。传感器的固定方式采用高强度磁力座进行固定。

将声发射传感器实时采集到的声发射信号经电缆传输至数据采集器中进行放大、A/D转换和深度滤波后上传至计算机中。

2)对信号进行自适应形态滤波处理。初始化结构元素。选择直线型结构元素，初始长度为2。设定结构元素的长度区间，结构元素的长度应小于其轴承外圈、轴承内圈、轴承滚动体、齿轮等故障发生时对应冲击脉冲信号的周期。采用闭运算做形态算子，对设定区间内所有长度结构元素进行闭运算，并计算每次滤波后的降噪结果与原始信号能量比SNER。能量比的计算公式如下：

$\mathrm{SNER}=10\log 10\left(\frac{E_x}{E_s}\right)$

式中，E_x为降噪后的信号能量，E_s为被滤除的噪声信号。

作出结构元素过程中信号能量比SNER的值随结构长度增大时的变化情况图，取SNER值最大时的结构元素对信号进行滤波。

3)将滤波后的信号进行小波降噪处理。选取最常用的db小波基、sym小波基、coif小波基和dmey小波基对带通滤波后的信号进行分别三至五层分解，选用硬阈值、软阈值和折衷阈值三种阈值函数和heursure阈值对分解得到的高频细节信号进行阈值量化处理，然后进行小波重构。由于存在小波基、分解层数、阈值函数和阈值的不同选择，这样一共可以得到三十六种小波降噪的结果。为选出降噪效果最好的结果，以信噪比为衡量标准，取信噪比最大的一组作为最终降噪结果。信噪比的计算公式如下：

$\mathrm{SNR}=10\log \left(\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}^2\left(n\right)}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[\hat{x}\left(n\right)-x\left(n\right)]}^2}\right)$

式中，x(n)为经过带通滤波的信号，

为经小波降噪后的信号，N为采样点数。

4)对小波降噪处理后的信号进行希尔伯特解调分析。判断是否有明显的故障特征频率的基频及倍频成分存在。不存在则继续实时采集声发射信号并再次按照上述流程进行分析。存在则初步判断高炉炉顶齿轮箱发生故障。将基频与轴承及齿轮的各个故障特征频率进行比较。当基频与某一故障特征频率接近时，可进一步判断故障发生的部位。

如图5所示，温度分析主要有两个步骤：

1)设计应用于高炉炉顶齿轮箱的无线测温系统，主要包括无线测温采集装置、无线测温传输装置、无线路由中继站、无线中心接收站、数据采集软件五个部分。

第一部分，无线测温采集装置1是温度传感器，焊接安装在下部齿轮箱E19齿轮外侧端面上。其技术参数为：工作电源，DC3.6V锂电池(3600mA/h)；发射功率，80mW；工作频段，2.4GHz；无线传输速率，250kbps；测量范围，-10～100℃；发射距离，150～500m；传感器安装位置如图6所示，与传统方法的安装位置有极大的差异，不再是安装在设备壳体或基座上进行间接测量，而是直接在移动机械被测元件处放置温度采集装置，使测量结果更准确、更可靠。

第二部分，无线测温传输装置2，在系统中主要用于数据的无线传输，其技术参数为：工作电源，DC3.6V锂电池(7200mA/h)；发射功率：80mW；工作频段，2.4GHz；无线传输速率，250kbps；测量范围，-10～100℃；发射距离，150～1000m(特殊应用可达40公里)，与无线测温采集装置邻近放置。

第三部分，无线路由中继站3是一种无线路由转发装置，它具有信号传递“接力”功能。它是该无线网络主要的设备，其技术参数为：工作电源，AC220V；工作频段，2.4GHz；调制方式，直序扩频；发射功率80mW；发射距离：100～1000m。

第四部分，无线中心接收站是一种无线接收装置，它将接收到的数据信号通过有线连接进入计算机网络系统，通常安装在计算机房内。其技术参数为：工作电源，AC220V；波特率，9600、38400bps；工作频段，2.4GHz；数据接口，RS-232(配串口线，可直接连电脑COM口)。

第五部分，数据采集软件，驱动A/D卡完成工业信号(温度信号)的数字化转换，对信号进行自动规则化保存和分类以供分析，对超标工业信号进行提示，数据保存的数量、周期可软件控制，真正实现了温度信息的实时监测和分析。

2)将测得的温度数据进行趋势分析。根据高炉炉顶齿轮箱设计的要求，在正常运行时的箱内温度要求小于70摄氏度，如果长时间高于70摄氏度，会导致油脂润滑失效，使部件直接产生直接摩擦导致损坏。系统测得的温度，其波动最主要影响因素是齿轮的咬合、磨损和气密箱密封效果等。如果齿轮由于润滑不良或咬合等因素，造成轮齿长期处于故障状况，则由于摩擦的加剧将导致轮齿温度的升高，则可从无线测温信号测得的数据中及时了解到异常；如果气密箱密封出现问题或氮气压力、流量等出现问题，也会导致环境温度的急剧升温。在高炉炉顶齿轮箱正常状态下，经过一段时间对无线测温信号数据的收集整理，其温度区间基本保持在35摄氏度至55摄氏度范围内。趋势分析中，如果温度基本保持在55摄氏度以下，则继续实时监测温度信号。如果温度长时间高于55摄氏度则判断高炉炉顶齿轮箱发生故障。

如图7所示，油液分析主要有三个步骤：

1)应用专业采样工具提取油液。取样的时间间隔根据设备运行的实际状态进行调整。在设备处于磨合时期、声发射信号和温度信号综合分析发现故障隐患以及设备接近维修期时缩短取样时间间隔；在设备正常运行期间，可延长取样周期。

2)对提取的油样进行常规理化指标检测。选取粘度、水分、杂质颗粒、酸值、氧化和闪点作为分析指标，判断油液(脂)的劣化变质程度。将检测结果与设定值进行比较。当结果超过设定值，判定油液(脂)润滑性能下降，继续进行光谱和铁谱分析；否则润滑性能良好，依照取样周期再次提取油样。

3)应用光谱、铁谱分析技术对提取的油样进行定性和定量检测。将检测到的油样中的金属磨损物的成分和含量与设定值比较。当油样中的金属磨损物中无一成分的含量超过设定值，判断为无故障隐患，依照取样周期再次提取油样；当油样中的金属磨损物中有任一成分的含量超过设定值，判定为存在故障隐患。

如图1所示，油液检测技术、声发射检测技术和无线测温技术在2000m³高炉无料钟炉顶齿轮箱故障诊断上的综合运用主要有三个步骤：

1)通过定期的高炉炉顶齿轮箱油液检测，对提取的油样进行常规理化指标检测和光谱、铁谱分析，分析设备润滑与磨损状态并预测设备故障、确定设备故障部位、类型和原因。若结论为存在故障隐患，则确定高炉炉顶齿轮箱发生了故障，写出故障诊断报告，并向厂方提出维修的建议。

2)油液检测可以很好地识别间歇性低速重载设备早期故障，但由于高炉炉顶齿轮箱油液取样困难，不能实时监测。用声发射检测技术和无线测温检测技术实时监测，来辅助油液检测对高炉炉顶齿轮箱运行状态进行综合分析。若声发射信号分析和温度分析均判断存在故障隐患时，则确定高炉炉顶齿轮箱发生了故障，写出故障诊断报告，并向厂方提出维修的建议。

3)若声发射信号分析和温度分析结果不相同，为防止误判或密封等非机械问题引发的故障，应缩短既定油液取样周期，立即进行油液分析并得到分析结果。若油液分析得到的结论为无故障隐患，则近期对高炉炉顶齿轮箱的运行状态进行密切监测，并再次综合分析。若结论均为存在故障隐患，则确定高炉炉顶齿轮箱发生了故障，写出故障诊断报告，并向厂方提出维修建议。

Claims (1)

1.一种通过综合分析对高炉炉顶齿轮箱的故障诊断方法，运用声发射信号分析、无线测温分析和油液分析对高炉炉顶齿轮箱进行故障诊断，其特征在于，包括以下步骤：

声发射信号测点选择在上部齿轮箱的旋转电机输入端和输出端及大齿轮箱外壳水平方向和垂直方向共6个测点，检测裂纹扩展的声信号，用来监测上部齿轮箱轴承和齿轮、下部大齿轮箱的连接轴及大齿轮箱内部的轴承和齿轮的运行状态。

所述的声发射信号分析包括：

将声发射传感器实时采集到的声发射信号经电缆传输至数据采集器中进行放大、深度滤波和A/D转换后上传至计算机中，对信号进行形态滤波处理；然后将滤波后的信号进行小波降噪处理；具体步骤为：

a、作出结构元素过程中声发射信号能量比SNER的值随结构长度增大时的变化情况图

b、取SNER值最大时的结构元素对信号进行滤波；

c、选择一个小波基和分解层数，对信号进行小波分解；

d、确定阈值函数，选择通过阈值规则得到的阈值对分解得到的高频系数进行量化；

e、量化后的最低层低频近似信号和各层高频细节信号，作小波重构；

f、对小波降噪处理后的信号进行希尔伯特解调分析，找出低频段突出的频率成分，判断这些频率成分是否存在故障特征频率的基频和倍频的关系；如果存在，判断为有故障隐患；再根据基频成分，对比依照理论和公式计算得到的轴承故障特征频率，判断故障发生的部位；

所述的无线测温分析包括：

设计应用于高炉炉顶齿轮箱的无线测温系统，无线测温系统包括无线测温采集装置、无线测温传输装置、无线路由中继站、无线中心接收站、数据采集软件；

无线测温采集装置是温度传感器，放置于回转机械设备中需要检测温度的位置，负责采集现场温度信息，此处特别是涉及高炉炉顶齿轮箱的温度测量，焊接安装在下部齿轮箱E19齿轮外侧端面上；

无线测温传输装置，在系统中主要用于数据的无线传输，与无线测温采集装置邻近放置；

无线路由中继站是一种无线路由转发装置，它具有信号传递“接力”功能，是该无线网络主要的设备；

无线中心接收站是一种无线接收装置，它将接收到的数据信号通过有线连接进入计算机网络系统，安装在计算机房内；

使用配套的数据采集软件，在计算机上将这些数字信号实时记录下来并进行处理，再通过人工或自动的方法对机电设备进行监测；

将测得的温度数据进行趋势分析；趋势分析中，如果温度保持在报警阈值以下，则继续实时监测温度信号。如果温度长时间高于报警阈值则判断高炉炉顶齿轮箱发生故障；报警阈值设置为55摄氏度；

所述的油脂液分析包括：定期提取高炉炉顶齿轮箱中的油样，所述的油液常规理化指标包括：粘度、水分、杂质颗粒、酸值、氧化和闪点。在检测油脂液常规理化指标的基础上，应用光谱、铁谱分析对油样中金属磨损物的成分和含量进行定性和定量分析，根据检测结果做出判断：油样中的金属磨损物中有任一成分的含量超过设定值，判断为有故障隐患；油样中的金属磨损物中无一成分的含量超过设定值，判断为无故障隐患；

所述的油液分析定期检测，若油液分析判断有故障，则判断高炉炉顶齿轮箱存在故障；

声发射信号分析和无线测温分析实时监测高炉炉顶齿轮箱；若声发射信号分析和温度分析均判断存在故障隐患时，则确定高炉炉顶齿轮箱发生了故障；

若声发射信号分析和温度分析结果不相同，为防止误判或密封等非机械问题引发的故障，缩短既定油液取样周期，立即进行油液分析并得到分析结果；若油液分析得到的结论为无故障隐患，则近期对高炉炉顶齿轮箱的运行状态进行密切监测，并再次综合分析；若结论均为存在故障隐患，则确定高炉炉顶齿轮箱发生了故障。

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