CN114410886A - 一种转炉倾动机构状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转炉倾动机构状态监测方法及系统，该方法包括：构建三维空间坐标系，借助姿态传感器的数据在三维空间坐标系中得到转炉的位置坐标，并基于所获得的数据求出转炉的俯仰角、横滚角、偏航角，建立转炉的实时运动姿态模型；通过振动传感器采集振动信号；基于运动姿态模型和振动信号，结合之前存储的历史数据，对转炉的炉体和倾角齿轮箱可能存在的故障问题作出判断，并结合相关信号的时域、趋势对转炉倾动机构的健康状态作出判断，建立寿命预测模型。由此，该方法利用姿态传感器、振动传感器等，通过采集转炉倾动机构运行的动态数据，合理分析后得到转炉倾动机构寿命预测模型，基于该模型可以优化转炉倾动机构运行效率。

Description

一种转炉倾动机构状态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及工业冶炼钢材技术领域，尤其涉及一种转炉倾动机构状态监测方法及系统。

背景技术

转炉炼钢(converter steelmaking)是以铁水、废钢、合金为主要原料，靠铁水本身的物理热和复杂的化学反应产生的热量使其温度和成分达到出钢要求。

现有技术中，转炉倾动机构是实现转炉炼钢生产的关键设备之一，其承担了不间断工作的任务，目前的转炉倾动机构通常采用4台交流变频电动机驱动，该4台电动机采用4点啮合全悬挂形式，通过扭力杆装置进行力矩平衡。

然而，在炼钢的过程中，电控系统仅能够对转炉倾动机构进行常规的动作逻辑控制以及基本的实时保护控制，其无法判定转炉倾动机构是否处于最佳工作状态，也无法对转炉倾动机构的使用寿命进行评估。而且，转炉在炼钢时需要持续保持运行状态，当转炉因故障出现停机时，会影响炼钢的效率，对钢厂造成十分巨大的损失，同时，炉体的工作对象是高温的液态金属，如果因为故障产生了停机，也会给设备的检修与维护都带来了困难。

因此，为了解决上述问题，有必要研究转炉倾动机构运行的动态数据，对转炉倾动机构的潜在故障进行预警，对其寿命进行预测，避免生产作业过程中的故障停机，提升转炉炼钢的安全系数。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供转炉倾动机构状态监测方法及系统。

本发明的技术方案如下：

在根据本发明的第一方面中，提供了一种转炉倾动机构状态监测方法，所述方法用于监测转炉倾动机构的使用状态，所述转炉倾动机构的转炉托圈安装有姿态传感器，所述转炉倾动机构的转炉倾动轴承、减速机、电机安装有振动传感器，所述方法包括：

S1：构建三维空间坐标系，通过所述姿态传感器输出的三维加速度、三维欧拉角，在所述三维空间坐标系中得到转炉的位置坐标，并基于所获得的数据求出转炉的俯仰角、横滚角、偏航角，建立转炉的实时运动姿态模型；

S2：通过所述振动传感器采集振动信号，并将采集的振动信号经过筛选得到振动的振幅、频率、相位、频谱；

S3：基于所述运动姿态模型和所述振动信号，结合之前存储的历史数据，对转炉的炉体和倾角齿轮箱可能存在的故障问题作出判断，并结合相关信号的时域、趋势对转炉倾动机构的健康状态作出判断，建立寿命预测模型。

可选地，所述姿态传感器包括姿态检测主机、第一姿态检测从机和第二姿态检测从机，所述姿态检测主机安装在转炉控制室中，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机分别安装在所述转炉托圈的不同位置，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机采用无线传输的方式与所述姿态检测主机进行通信，所述S1中包括：借助同步姿态算法实现所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机的同步动作，

其中，所述同步姿态算法包括：首先，利用所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机分别采集转炉托圈上两个不同位置的空间姿态信息，然后，通过无线传输的方式将相关的空间姿态信息传输给所述姿态检测主机，所述姿态检测主机通过计算得出所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机的对应关系，进而实现所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机的同步动作。

可选地，所述同步姿态算法还包括：

在获取数据时，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机通过16位高精度的AD转换器采集姿态检测传感器的原始电位，并利用去噪算法，滤除不稳定的数据，得到稳定准确的数据；

在转炉设备运行的过程中，当所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机从断电后恢复供电时，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机能够通过自检算法准确地检测到各自当前的具体位置，以便于恢复正常工作；

在检测数据时，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机能够通过校正算法对姿态传感器进行校正，以提高所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机的检测精度。

可选地，所述S2中包括：所述振动传感器布置在转炉倾动机构的关键部位，并且通过无线网络来传输采集到的信号数据。

可选地，所述关键部位包括：一次减速机、二次减速机、耳轴轴承。

可选地，所述S3中的所述历史数据包括转炉倾动机构故障库中的信号数据，所述S3中包括：基于所述运动姿态模型和所述振动信号提取的特征信号，将所述特征信号与转炉倾动机构故障库中的信号数据进行对比，对转炉倾动机构继续进行寿命预测，同时不断完善故障库中的数据信息。

在根据本发明的第二方面中，提供了一种转炉倾动机构状态监测系统，其特征在于，所述系统用于监测转炉倾动机构的使用状态，所述转炉倾动机构的转炉托圈安装有姿态传感器，所述转炉倾动机构的转炉倾动轴承、减速机、电机安装有振动传感器，所述系统采用如根据本发明的第一方面中任意一项所述的方法进行控制。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的方法利用设置在转炉倾动机构上的姿态传感器、振动传感器等，通过采集转炉倾动机构运行的动态数据，合理分析后给出转炉倾动机构寿命预测模型，借助该模型可以优化转炉倾动机构运行效率，同时避免意外停机。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明的一个实施方式中的姿态传感器安装的系统拓扑图；

图2为根据本发明的一个实施方式中的振动传感器安装的分布示意图；

图3为根据本发明的一个实施方式中的转炉倾动机构的故障分析示意图；

图4为根据本发明的一个实施方式中的转炉倾动机构状态监测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

如图1至图4所示，在根据本发明的一个实施方式中提供了一种转炉倾动机构状态监测方法及系统，该方法及系统可用于监测转炉倾动机构的使用状态。

本领域技术人员可知，常规转炉通过一个绝对值编码器测量转炉与地面的倾斜角度，这样的数据仅在一维平面内存在参考价值，随着转炉使用年限的增加，长期受到高温影响的设备可能存在不同程度的变形，使得转炉运动的工作面发生改变。

对此，在本实施方式中，利用三轴陀螺仪、加速度计等传感器技术，在三维空间内得到转炉的位置坐标、俯仰角、横滚角、偏航角，通过以上数据建立起转炉运动姿态。之后，利用电涡流传感器、光电传感器、速度传感器等，采集转炉倾动关键部位的振动信号，经信号筛选，获得振幅、频率、相位、频谱等信息上述的运动姿态模型同振动的相关信息，将该相关信息与历史数据结合可以对炉体及倾动齿轮箱的不平衡、炉体倾斜、齿轮啮合故障、组件共振、轴承故障等问题做出判断。此外，可以结合信号的时域、趋势等特征对转炉倾动机构的健康状态给出判断，建立寿命预测模型，以优化转炉倾动机构运行效率。

具体地，在本实施方式中，转炉倾动机构的转炉托圈安装有姿态传感器，转炉倾动机构的转炉倾动轴承、减速机、电机安装有振动传感器，该方法包括：

S1：构建三维空间坐标系，通过姿态传感器输出的三维加速度、三维欧拉角，在三维空间坐标系中得到转炉的位置坐标，并基于所获得的数据求出转炉的俯仰角、横滚角、偏航角，建立转炉的实时运动姿态模型；

S2：通过振动传感器采集振动信号，并将采集的振动信号经过筛选得到振动的振幅、频率、相位、频谱；

S3：基于运动姿态模型和振动信号，结合之前存储的历史数据，对转炉的炉体和倾角齿轮箱可能存在的故障问题作出判断，并结合相关信号的时域、趋势对转炉倾动机构的健康状态作出判断，建立寿命预测模型。

本实施方式中，姿态传感器包括姿态检测主机、第一姿态检测从机和第二姿态检测从机。姿态检测主机安装在转炉控制室中，第一姿态检测从机和第二姿态检测从机分别安装在转炉托圈的不同位置。

S1中包括：借助同步姿态算法实现第一姿态检测从机和第二姿态检测从机的同步动作，其中，同步姿态算法包括：首先，利用第一姿态检测从机和第二姿态检测从机分别采集转炉托圈上两个不同位置的空间姿态信息，然后，通过无线传输的方式将相关的空间姿态信息传输给姿态检测主机，姿态检测主机通过计算得出第一姿态检测从机和第二姿态检测从机的对应关系，进而实现第一姿态检测从机和第二姿态检测从机的同步动作。

例如，如图1所示，姿态检测主机安装在转炉控制室中，第一姿态检测从机安装在转炉托圈A点，第二姿态检测从机安装在转炉托圈B点，第一姿态检测从机和第二姿态检测从机采用无线传输的方式与姿态检测主机进行通信。同时，转炉托圈A点还设置有A组振动传感器，转炉托圈B点设置有B组传感器。

由此，该方法中，能够将转炉托圈A点的转炉托圈A点信息、传动侧振动信息和转炉托圈B点的转炉托圈B点信息、传动侧振动信息通过无线传输的方式先传输至主机数据处理单元，再传输至姿态检测主机以及扩展板控制单元。同时，姿态检测主机也能够通过无线传输的方式与第一姿态检测从机和第二姿态检测从机进行通信。

进一步地，同步姿态算法还包括：

在获取数据时，第一姿态检测从机和第二姿态检测从机通过16位高精度的AD转换器采集姿态检测传感器的原始电位，并利用去噪算法，滤除不稳定的数据，得到稳定准确的数据；

在转炉设备运行的过程中，当第一姿态检测从机和第二姿态检测从机从断电后恢复供电时，第一姿态检测从机和第二姿态检测从机能够通过自检算法准确地检测到各自当前的具体位置，以便于恢复正常工作；

在检测数据时，第一姿态检测从机和第二姿态检测从机能够通过校正算法对姿态传感器进行校正，以提高第一姿态检测从机和第二姿态检测从机的检测精度。

作为一种实现方式，同步姿态算法的工作原理为：

首先，第一姿态检测从机和第二姿态检测从机采集姿态检传感器的原始电位并对电位做除噪、滤波处理，顺序采集15次取平均值，作为姿态检测传感器的电位的真值；当第一姿态检测从机和第二姿态检测从机采集10次真值数据后，第一姿态检测从机和第二姿态检测从机就将带有时间戳的10个数据作为一帧数据传输给姿态检测主机；然后，姿态检测主机的数据处理单元依据数据所带时间对数据进行处理，从而达到第一姿态检测从机和第二姿态检测从机数据同步的目的，此外，在上传转炉托圈A点和转炉托圈B点的姿态信息时，第二姿态检测从机监听第一姿态检测从机上传给姿态检测主机的数据，当监听到第一姿态检测从机上传数据后，第二姿态检测从机也上传自己的数据。同时，为了保证检测精度，姿态检测主机的扩展板控制单元每隔半个小时对第一姿态检测从机和第二姿态检测从机的计时器进行校核，以保证第一姿态检测从机和第二姿态检测从机的计时器时间差小于10毫秒。

在本实施方式中，S2中包括：振动传感器布置在转炉倾动机构的关键部位，并且通过无线网络来传输采集到的信号数据。可以理解，无线数字信号传输方式可以消除长电缆传输带来的噪声干扰。

在检测倾动机构振动故障诊断中，耳轴轴承、一次减速机、二次减速机是倾动机构的关键研究点。对此，本实施方式中的关键部位包括：一次减速机、二次减速机、耳轴轴承。通过对各个关键点的研究可以有效地分析并预测倾动机构的状态。

本实施方式中，各个关键部位的振动传感器的安装情况如图2所示。可以理解，本发明中并不限定传感器的种类和数量，可以根据现场实际需求灵活调整。

具体而言，本实施方式中的转炉具有四个一次减速机，四个一次减速机输入轴承座处共需布置4个测点(水平径向)，图2中示出的1，2两个测点为其中的一半。一次减速机输出轴(内侧)轴承座处共需布置4个测点(水平径向)，图2中示出的3，4两个测点为其中的一半。

二次减速机的输入轴(小齿轴轴承座处)共需布置4个测点(水平径向)以分别对应四个一次减速机，图2中示出的5，6两个测点为其中的一半。二次减速机外侧(自由侧)轴承座需要在垂直径向和水平径向布置2个测点，即图2中示出的7，8两个测点。二次减速机输出轴(内侧/靠近负载方向)轴承座需要在垂直径向和水平径向布置2个测点，即图2中示出的9，10两个测点。此外，在耳轴轴承座处共需要布置4个振动加速度信号测点，如图2所示，包括分别位于传动轴耳轴的轴承座的11，12两个测点(垂直径向+水平径向)，位于非传动轴耳轴的轴承座的13，14两个测点(垂直径向+水平径向)。

进一步地，S3中的历史数据包括转炉倾动机构故障库中的信号数据。

由此，S3中包括：基于运动姿态模型和振动信号提取的特征信号，将特征信号与转炉倾动机构故障库中的信号数据进行对比，对转炉倾动机构继续进行寿命预测，同时不断完善故障库中的数据信息。

图3中给出了对转炉倾动机构的故障分析，当检测到相关的故障之后，可以根据ISO/TC108(机械振动与冲击委员会)等相关标准，对倾动机构在特殊工况下设立相应的阈值报警，从而达到事前快速维修及故障预警的目的。

示例性地，耳轴轴承损坏的原因包括：传动侧故障、非传动侧故障、胶合、轴承滚珠破裂。其中传动侧故障的原因包括：保持架破损、轴承生锈腐蚀。保持架破损的原因为润滑不足或者疲劳破坏，轴承生锈腐蚀的原因为密封差或者保管不当。一次减速机故障和二次减速机故障的原因包括：齿轮问题、轴承问题。齿轮问题的原因包括：轮齿折断、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形。其中，轮齿折断的原因为应力集中，齿面胶合的原因为高温重载。

如图4所示，本实施方式中方法的流程大致包括：

振动数据采集，即采集转炉倾动机构的工况数据，对振动原始波形进行抓取；

特征值提取和信号处理，即获取转炉倾动机构的齿轮啮合频率振动能量、联轴器的转动频率、尖峰能量等数据信号，并进行无量纲振动分析/频谱分析；

诊断问题，通过对数据的分析，诊断是否存在齿轮折断、齿面胶合、齿面磨损以及轴承故障等问题；

预测寿命，即突变点检测，基于卡尔曼滤波的剩余寿命预测模型和模糊预测算法模型，对机构的使用寿命进行预测；

维保，即基于获取的数据结果，提供故障定位指示，提供需维修的专家建议，提供设备健康诊断报告。

此外，本实施方式中的系统采用如上述的方法进行控制。

由此，本实施方式中的转炉倾动机构状态监测方法及系统具有以下优点：

本实施方式中的方法利用设置在转炉倾动机构上的姿态传感器、振动传感器等，通过采集转炉倾动机构运行的动态数据，合理分析后给出转炉倾动机构寿命预测模型，优化转炉倾动机构运行效率并避免计划外停机。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种转炉倾动机构状态监测方法，其特征在于，所述方法用于监测转炉倾动机构的使用状态，所述转炉倾动机构的转炉托圈安装有姿态传感器，所述转炉倾动机构的转炉倾动轴承、减速机、电机安装有振动传感器，所述方法包括：

S1：构建三维空间坐标系，通过所述姿态传感器输出的三维加速度、三维欧拉角，在所述三维空间坐标系中得到转炉的位置坐标，并基于所获得的数据求出转炉的俯仰角、横滚角、偏航角，建立转炉的实时运动姿态模型；

S2：通过所述振动传感器采集振动信号，并将采集的振动信号经过筛选得到振动的振幅、频率、相位、频谱；

S3：基于所述运动姿态模型和所述振动信号，结合之前存储的历史数据，对转炉的炉体和倾角齿轮箱可能存在的故障问题作出判断，并结合相关信号的时域、趋势对转炉倾动机构的健康状态作出判断，建立寿命预测模型。

2.根据权利要求1中所述的转炉倾动机构状态监测方法，其特征在于，所述姿态传感器包括姿态检测主机、第一姿态检测从机和第二姿态检测从机，所述姿态检测主机安装在转炉控制室中，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机分别安装在所述转炉托圈的不同位置，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机采用无线传输的方式与所述姿态检测主机进行通信，所述S1中包括：借助同步姿态算法实现所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机的同步动作，

其中，所述同步姿态算法包括：首先，利用所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机分别采集转炉托圈上两个不同位置的空间姿态信息，然后，通过无线传输的方式将相关的空间姿态信息传输给所述姿态检测主机，所述姿态检测主机通过计算得出所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机的对应关系，进而实现所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机的同步动作。

3.根据权利要求2中所述的转炉倾动机构状态监测方法，其特征在于，所述同步姿态算法还包括：

在获取数据时，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机通过16位高精度的AD转换器采集姿态检测传感器的原始电位，并利用去噪算法，滤除不稳定的数据，得到稳定准确的数据；

在转炉设备运行的过程中，当所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机从断电后恢复供电时，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机能够通过自检算法准确地检测到各自当前的具体位置，以便于恢复正常工作；

在检测数据时，所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机能够通过校正算法对姿态传感器进行校正，以提高所述第一姿态检测从机和所述第二姿态检测从机的检测精度。

4.根据权利要求2中所述的转炉倾动机构状态监测方法，其特征在于，所述S2中包括：所述振动传感器布置在转炉倾动机构的关键部位，并且通过无线网络来传输采集到的信号数据。

5.根据权利要求4中所述的转炉倾动机构状态监测方法，其特征在于，所述关键部位包括：一次减速机、二次减速机、耳轴轴承。

6.根据权利要求1中所述的转炉倾动机构状态监测方法，其特征在于，所述S3中的所述历史数据包括转炉倾动机构故障库中的信号数据，所述S3中包括：基于所述运动姿态模型和所述振动信号提取的特征信号，将所述特征信号与转炉倾动机构故障库中的信号数据进行对比，对转炉倾动机构继续进行寿命预测，同时不断完善故障库中的数据信息。

7.一种转炉倾动机构状态监测系统，其特征在于，所述系统用于监测转炉倾动机构的使用状态，所述转炉倾动机构的转炉托圈安装有姿态传感器，所述转炉倾动机构的转炉倾动轴承、减速机、电机安装有振动传感器，所述系统采用如权利要求1至6中任意一项所述的方法进行控制。

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