殷華彬，曾 牧

（中鋁青海分公司第二電解鋁廠，青海 大通 810108）

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷在大中型螺桿空壓機(jī)上的應(yīng)用與實(shí)踐

殷華彬，曾 牧

（中鋁青海分公司第二電解鋁廠，青海 大通 810108）

選用VB3000數(shù)據(jù)采集器、傳感器及Ascent數(shù)據(jù)庫(kù)軟件建立空壓機(jī)離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)螺桿空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，設(shè)置空壓機(jī)的檢測(cè)點(diǎn)，設(shè)定測(cè)量位置及測(cè)量項(xiàng)目，利用數(shù)據(jù)采集器及測(cè)振儀等，定期對(duì)螺桿空壓機(jī)軸承座振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和診斷，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的早期故障，為設(shè)備維修提供可靠的信息，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少設(shè)備維修費(fèi)用，從而保障設(shè)備的安全運(yùn)行。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷；軸承；齒輪；聯(lián)軸器

0 前言

中鋁青海分公司電解一、二系列24臺(tái)多功能天車在用的空壓機(jī)為壽力螺桿空壓機(jī)，其特點(diǎn)是節(jié)能效果好。但在運(yùn)行過(guò)程中，由于電解車間環(huán)境惡劣，加之日常維護(hù)保養(yǎng)不到位， 2006年至2012年連續(xù)發(fā)生9起空壓機(jī)未到大修周期就發(fā)生主機(jī)抱死事故。原因是軸承損壞，導(dǎo)致陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子抱死故障，損失嚴(yán)重，由于我公司沒有維修這種空壓機(jī)的能力，需要進(jìn)行返廠維修，每臺(tái)主機(jī)維修成本約為10萬(wàn)元，給公司造成了不小的損失。為了提高設(shè)備運(yùn)行的安全性，需要制定措施來(lái)避免主機(jī)抱死故障的發(fā)生。為了減少空壓機(jī)運(yùn)行中發(fā)生此類故障，延長(zhǎng)其使用壽命，降低維修費(fèi)用，需要對(duì)空壓機(jī)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷特點(diǎn)

設(shè)備的故障診斷是發(fā)現(xiàn)并確定故障的部位和性質(zhì)，尋找故障的起因，預(yù)報(bào)故障的趨勢(shì)并提出相應(yīng)的對(duì)策。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷就是指在機(jī)械基本不拆卸的情況下，在運(yùn)行中掌握其運(yùn)行狀態(tài)，早期發(fā)現(xiàn)故障，判斷故障的部位和原因，以及預(yù)報(bào)故障的發(fā)展趨勢(shì)。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷的基本流程如圖1所示。

圖1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)基本流程

現(xiàn)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷主要使用精密的儀器和方法，來(lái)對(duì)設(shè)備故障的存在部位、發(fā)生原因及故障類型進(jìn)行識(shí)別和定量評(píng)價(jià)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要分為離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，根據(jù)我分公司的實(shí)際情況，下面主要介紹離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由傳感器、采集器、監(jiān)測(cè)診斷軟件和微電腦組成。操作步驟為：利用監(jiān)測(cè)診斷軟件建立測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)、將測(cè)試信息傳輸給數(shù)據(jù)采集器、用數(shù)據(jù)采集器完成現(xiàn)場(chǎng)巡回測(cè)試、將數(shù)據(jù)回放到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行分析診斷。

實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷可有效改善運(yùn)行設(shè)備的安全性、減少或消除運(yùn)行故障，延長(zhǎng)大修間隔，減少維修費(fèi)用，提高設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

2 空壓機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.1 空壓機(jī)離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

我們使用Ascent數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，在工作電腦上建立數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與之相配套的普迪美VB3000數(shù)據(jù)采集器及傳感器建立離線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)這兩種空壓機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，同時(shí)，使用VM-63A測(cè)振儀對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的振幅進(jìn)行測(cè)量。

2.2 空壓機(jī)相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)

在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，需要為每臺(tái)機(jī)器選擇監(jiān)測(cè)參數(shù)，確定設(shè)備重要零件的相關(guān)參數(shù)是非常重要的，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)過(guò)程中，頻譜分析涉及設(shè)備傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速、軸承型號(hào)、齒輪齒數(shù)等參數(shù)，以確定監(jiān)測(cè)頻率范圍的最低和最高頻率，因此設(shè)備相關(guān)參數(shù)確定是非常必要的。

2.3 空壓機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的選擇

通過(guò)對(duì)空壓機(jī)的技術(shù)資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，熟悉壽力空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，搞清楚其軸承所在位置，以確定空壓機(jī)數(shù)據(jù)采集測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)盡量靠近軸承所在的機(jī)殼。

根據(jù)天車空壓機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其軸承座監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)字序列是從電機(jī)非驅(qū)動(dòng)側(cè)至驅(qū)動(dòng)側(cè)軸承座賦予數(shù)字1開始，朝著被驅(qū)動(dòng)設(shè)備，按數(shù)字次序排列，直到最后一個(gè)軸承，數(shù)字前的字母表示測(cè)量點(diǎn)在靠近電機(jī)端或靠近壓縮機(jī)端，具體標(biāo)志如圖2所示為M1、M2，F(xiàn)3、F4、F5、F6、F7、F8。

圖2 天車空壓機(jī)檢測(cè)點(diǎn)位置圖

每個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)測(cè)量的位置有三種，水平、垂直、軸向，在Ascent數(shù)據(jù)庫(kù)中為每臺(tái)空壓機(jī)設(shè)定好機(jī)器名，以便于區(qū)別。然后根據(jù)每臺(tái)空壓機(jī)的軸承及齒輪的特征頻率設(shè)置好每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量位置及測(cè)量參數(shù)組，將設(shè)定好的測(cè)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)線發(fā)送到VB3000數(shù)據(jù)采集器中，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)采集。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集器的傳感器放置情況最終確定每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量位置及測(cè)量參數(shù)組。

監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)字序列是從電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端側(cè)的軸承座賦予數(shù)字1開始，朝著被驅(qū)動(dòng)設(shè)備，按數(shù)字次序排列，直到最后一個(gè)軸承，數(shù)字前的字母表示測(cè)量點(diǎn)在靠近電機(jī)端或壓縮機(jī)端。

2.4 監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的確定

2.4.1 振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)

空壓機(jī)振動(dòng)速度使用ISO2372國(guó)際振動(dòng)質(zhì)量評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行分析和判斷，該標(biāo)準(zhǔn)適用于轉(zhuǎn)速在600～12000r/min的各種機(jī)器。

2.4.2. 空壓機(jī)振動(dòng)測(cè)量周期

測(cè)量周期根據(jù)空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳動(dòng)方式、運(yùn)行模式、轉(zhuǎn)速、功率以及故障模式等因素進(jìn)行確定：空壓站空壓機(jī)為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，功率較大，將振動(dòng)監(jiān)測(cè)周期定為1次/1周；天車空壓機(jī)為間歇式運(yùn)轉(zhuǎn)，將監(jiān)測(cè)周期定為2次/月。

3 空壓機(jī)障診斷的應(yīng)用

為了對(duì)每臺(tái)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有直觀的綜合判斷，我們制定了空壓機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)表，每月底對(duì)每臺(tái)空壓機(jī)一個(gè)月的振動(dòng)情況進(jìn)行分析和判斷，結(jié)合該月空壓機(jī)的日常維護(hù)及檢修情況，給出該空壓機(jī)是否需要安排檢修或繼續(xù)運(yùn)行等結(jié)論。

經(jīng)過(guò)兩年多對(duì)空壓機(jī)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，積累了不少空壓機(jī)故障診斷經(jīng)驗(yàn)，這期間診斷出幾起空壓機(jī)早期故障，都進(jìn)行了及時(shí)處理，避免了大的故障的發(fā)生。這兩年多未再發(fā)生主機(jī)抱死故障，空壓機(jī)故障診斷取得了明顯的效果。

（1）聯(lián)軸器故障。2012年7月8日，我們對(duì)天車8#空壓機(jī)進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采集，測(cè)振儀測(cè)得F3測(cè)點(diǎn)水平方向振幅為0.12mm，表明該處的振動(dòng)較大，我們對(duì)8#空壓機(jī)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)3測(cè)點(diǎn)加速度值較大為2.119g，其加速度圖如圖3所示。表明F3點(diǎn)沖擊較大，較6月份的0.718g有較大的上升。其中，主機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率25Hz處的加速度值最大，其余均為軸頻的高頻諧波，顯示該處可能存在轉(zhuǎn)頻類故障。同時(shí)，F(xiàn)6測(cè)點(diǎn)的加速度值為1.764g，較6月的0.892g有明顯上升，其頻譜圖如圖4所示。

圖3 F3點(diǎn)加速度解調(diào)圖

圖4 F6點(diǎn)水平方向加速度圖

圖5 F3水平方向振速頻譜圖

在對(duì)如圖5所示的F3點(diǎn)水平方向的振速頻譜進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，頻譜顯示主機(jī)輸入軸2倍頻51Hz處振速幅值為1.29mm/s，是1倍頻25Hz處振速幅值0.568mm/s的2.27倍，初步判斷為聯(lián)軸器存在較為嚴(yán)重的平行不對(duì)中情況，由于聯(lián)軸器與F3測(cè)點(diǎn)最近，其不對(duì)中造成的沖擊造成F3點(diǎn)加速度值較上月迅速增加，從而造成其后端齒輪嚙合不良，產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致F6點(diǎn)加速度值較大。為防止由于沖擊較大，造成聯(lián)軸器或軸承損壞，必須立即對(duì)該空壓機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢修，7月9日對(duì)該空壓機(jī)進(jìn)行檢修，打開聯(lián)軸器防護(hù)罩發(fā)現(xiàn)電機(jī)端聯(lián)軸器安裝盤由于頂絲松動(dòng)，沿軸線方向向電機(jī)方向竄動(dòng)22mm，彈性體損壞，更換彈性體并調(diào)整了聯(lián)軸器安裝盤后，啟動(dòng)空壓機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，振動(dòng)數(shù)值恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，驗(yàn)證了我們的判斷是正確的，同樣的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)又處理了3次。

（2）軸承故障。2013年6月16日，對(duì)天車16#空壓機(jī)采集的頻譜進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)， 其1#主機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子后端1F4測(cè)點(diǎn)水平方向加速度值為3.867g，如圖6所示。顯示該測(cè)點(diǎn)沖擊能量較大，其中12Hz處的加速度值最大為0.484g。該測(cè)點(diǎn)1F4為1號(hào)主機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子后端軸承座位置，其軸承為圓柱滾子軸承，型號(hào)為NJ316。需要對(duì)該軸承的特征頻率進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

由《實(shí)用軸承手冊(cè)》查得：NJ316軸承的滾動(dòng)體直徑d=18mm，滾動(dòng)體節(jié)圓直徑D=130mm，接觸角α=0，滾動(dòng)體數(shù)量為17個(gè)。

該空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率為24.6Hz，大齒輪齒數(shù)z1=100，主機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子端齒輪齒數(shù)Z2=83。

圖6 2#空壓機(jī)1號(hào)主機(jī)1F4測(cè)點(diǎn)加速度圖

得：

由公式（2）、（3）、（4）、（5）得到：

滾動(dòng)體特征頻率

保持架特征頻率

內(nèi)圈特征頻率

外圈特征頻率

由NJ316軸承的特征頻率可知，12Hz為軸承保持架特征頻率，顯示軸承保持架處的沖擊能量較大。

對(duì)如圖7所示的1F4測(cè)點(diǎn)頻譜進(jìn)行分析，該測(cè)點(diǎn)垂直方向頻譜圖中出現(xiàn)軸承保持架特征頻率12Hz的振速幅值為0.252mm/s及2、3倍頻等高階諧波，初步判斷為軸承保持架故障，造成軸承運(yùn)行產(chǎn)生沖擊，從而造成該處測(cè)點(diǎn)加速度值較大。由于軸承的保持架是軸承元件中最薄弱的部位，如其損壞將造成軸承卡死，進(jìn)而造成主機(jī)抱死故障的發(fā)生，因此，該空壓機(jī)需要停機(jī)檢修。通過(guò)對(duì)1號(hào)主機(jī)檢查，解體發(fā)現(xiàn)該處軸承保持架損壞，如圖8所示。更換軸承后空壓機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。說(shuō)明我們的判斷是正確的。

圖7 2#空壓機(jī)1#主機(jī)1F4水平頻譜圖

圖8 1號(hào)主機(jī)拆解后主機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子后端軸承保持架損壞，滾動(dòng)體脫出

4 結(jié)束語(yǔ)

2010年5月至今通過(guò)對(duì)24臺(tái)空壓機(jī)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)到9臺(tái)次空壓機(jī)故障，通過(guò)及時(shí)檢修防止了設(shè)備運(yùn)行狀況的繼續(xù)惡化，避免了設(shè)備部件過(guò)早損壞，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，取得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，我們也積累了空壓機(jī)振動(dòng)故障診斷的經(jīng)驗(yàn)，為今后更好的開展空壓機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)打下了良好基礎(chǔ)。由于空壓機(jī)故障較為復(fù)雜，引起的原因多種多樣，涉及如噪聲辨識(shí)、振動(dòng)等相關(guān)知識(shí)，如何充分利用多種監(jiān)測(cè)儀器，通過(guò)比較、對(duì)照等一系列工作，準(zhǔn)確診斷空壓機(jī)故障產(chǎn)生原因，從而迅速解決問(wèn)題是我們今后設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

（編輯：余東梅）

Application and Practice of Condition Monitoring and Fault Diagnosis in Large and Medium Size Screw Air Compressor

YIN Hua-bin, ZENG Mu
(Chinalco-Qinghai Aluminum CO.,Datong 810108,China)

VB3000 Data Acquisition System, Sensor and Ascent Database Software are selected to establish off-line monitoring system for air compressor. The technology is used for acquisition, analysis and diagonsis of data. The information can be provided for the device, the service life of device can be prolonged, the maintenance costs of the device can be reduced and thus the device can run safely.

condition monitoring; fault diagnosis; bearing; gear; coupler

TH17，TH45

B

1005-4898（2014）05-0054-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.12

殷華彬（1973-），男，河南洛陽(yáng)人，高級(jí)工程師。

2013-10-14