故障诊断技术在纸机设备维护中的应用

李志文

（岳阳林纸股份有限公司，湖南岳阳414000）

故障诊断技术在纸机设备维护中的应用

李志文

（岳阳林纸股份有限公司，湖南岳阳414000）

简要说明设备故障诊断技术的基本原理，结合设备故障的实际诊断案例来论述设备故障诊断技术在纸机设备维护中的具体应用。

纸机；设备故障诊断技术；振动分析；频谱分析；轴承故障频率

0 概述

随着科技发展，纸机构造不断优化，传统的纸机设备巡检方式（主要是指听棍巡检）以及依靠经验来判断设备故障的方法，已不能满足现代化纸机的维护要求。尤其是当年产20万吨，甚至40万吨的纸机出现后，纸机设备维护人员对设备故障准确性的判断要求进一步提高，设备故障诊断技术恰好满足了这种需求。振动分析技术作为设备故障诊断技术的一种，因诊断准确性高、诊断故障种类多、对设备的无损检测等优点，在实际生产中应用最为广泛。

本文将就设备故障诊断技术（以下如无特别说明，特指振动分析技术）的基本原理进行说明，结合笔者实际诊断案例，论述此项技术在纸机设备维护中的应用。

1 设备故障诊断技术

设备故障诊断技术于20世纪80年代在我国起步，经过几十年发展，在各生产制造行业中均产生了巨大的经济效益。全国各大造纸行业也在极力推广该项技术。设备故障诊断技术的一大优势就是可以对设备故障做出精确判断，并可以此为依据对设备维护策略和维修策略做出最优化的制定。

机械结构由于自身的特点，其在运行过程中必然会产生振动。当设备运行工况不发生变化时，其振动将保持在一个相对稳定的水平。当设备发生故障时，如轴承损坏、齿轮崩齿、动不平衡等，其振动状况必然会随之发生改变。如果能够找出使设备振动状况发生改变的振源，并加以分析，就能够确定设备故障原因。但在实际的振动数据检测中，传感器所采集到的振动信号（振动的时域信号）是设备振动的综合体现。它既包含有设备正常运行时所产生的振动信号，也包含因设备故障所产生的振动信号，还包含有噪声等其他干扰信号。如直接对采集到的振动信号进行分析，将很难确定故障源，影响对故障判断的准确性。因此在对原始振动信号分析前，必须对信号进行相应的转换，将原始信号中的各个成分相对独立地分离开，使故障信号能够突显出来。原始振动信号的转换方法有多种，但最为重要、应用最为广泛的方法为傅立叶变换。傅立叶变换的物理意义可以理解为：如果一个振动系统所产生的振动信号为连续性周期信号，则该振动可以分解为由一系列简谐振动叠加而成。不同的简谐振动对应着不同的振动频率，因此，傅立叶变换将对复杂的时域信号分析转变成了简单的频域信号分析。通过傅立叶变换，原始振动信号中包含的各种振动信号成分就能以频谱的方式相对独立的分离出来了。

在产品生产制造中，绝大多数设备为旋转机械，而旋转机械因自身特点，其振动的周期性很强（设备每转1周就是1个周期）。而设备故障往往跟转速相关，设备每转1周将产生一次或多次故障信号。因此，故障信号也表现出很强的周期性。所以，设备故障诊断技术在旋转机械中得到了很好的应用。

周期性的振动必然会产生相应的振动频率，借助傅立叶变换，将振动信号在频域中进行分析，以便更容易确定设备故障原因。因为，当设备发生故障后，会引起该故障所对应的振动频率的振幅增大，在频谱图中形成明显峰值。那么，通过对该故障频率的分析，就能确定设备的故障原因，从而可以对故障设备采取有针对性的维护和维修策略。

2 设备故障诊断技术应用

以岳阳林纸股份有限公司设备为例，结合笔者实际诊断的设备故障案例，说明设备故障诊断技术在纸机设备维护中的具体应用。

（1）齿轮箱轴承故障。公司8号机为一台年产20万吨的高速纸机（图1），设备巡检人员在例行巡检中发现压榨部二压ZL辊齿轮箱振动异常，由于设备结构复杂，巡检人员无法确定振动异常的具体原因。

图1 ZL辊传动示意图

为确定ZL辊的振动原因，对齿轮箱的振动数据进行了采集。通过对频谱图的分析，频率为97.55 Hz的振动表现异常，并且还出现了基于该频率的多次谐波（图2）。

而齿轮箱正常运行时，并无该振动频率的出现。从频谱上来看，初步确定应是齿轮箱内轴承出现故障。通过对ZL辊齿轮箱结构图的分析，齿轮箱内共有3种型号的轴承，均为SKF公司生产。通过轴承型号计算得出各型号轴承的故障频率，具体数据见表1。由表1中数据对比可知，频谱图中的故障频率由齿轮箱中轴承1内圈故障引起。由于内圈故障引起的振动，还激发出了内圈故障频率的6×倍频，说明轴承内圈故障已非常严重。车间根据诊断结果，及时安排纸机停机，并对齿轮箱进行了有针对性的检修。检修发现，轴承1（靠内侧的轴承）内圈严重损坏（图3），与诊断结果一致。损坏原因为齿轮箱内轴承润滑油管堵塞，导致轴承缺油损坏。

图2 齿轮箱振动频谱图

表1 各型号轴承故障频率

（2）毛布问题引起的辊子振动。公司1号机正常运行过程中，压榨部三压沟纹辊振动突然上升。车间检查辊子轴承及减速箱后，未发现明显异常。为确定振动原因，对三压沟纹辊进行了振动数据采集及分析。

通过对振动频谱的分析，频率为27.81 Hz的振动幅值特别高，达到20.78 mm/s，该频率的振动为引起辊子振动的主要原因。同时，频谱图中还检测到辊子传动侧轴承的故障信号，频率为122.3 Hz，并出现了4×倍频，但振幅很小，说明轴承故障处于早期阶段，不是引起辊子振动的主要原因，频谱图见图4。

三压沟纹辊出现振动正好在三毛布使用后期，此时毛布的各项技术指标均已劣化，再结合对振动频率的分析，振动原因应为毛布劣化，激发出了由三压沟纹辊、三毛布和中心辊组成的振动系统的某阶主振频率，使振动系统产生共振，由于设备结构、安装原因，使三压沟纹辊对这种共振响应最为明显。压榨部结构见图5。

图3 轴承内圈严重损坏

根据振动理论，在多自由度的振动系统中，存在多个主振频率，主振频率的个数与振动系统的自由度个数相对应。当外力造成的振动频率与任一系统主振频率相同时，都将引起系统的共振。随后，车间在计划停机时更换了三压毛布。更换后，三压沟纹辊振动恢复正常，从而验证了之前的判断。

约半年后，该辊下机，传动侧轴承外圈发现明显点蚀剥落现象，再次验证了故障诊断技术的准确性。

（3）风机叶轮动不平衡故障。公司热电1号炉送风机（南通风机厂生产，型号VR58ⅢSIBORK2240）因除尘项目停运约一个月。停机前，风机运行正常。再次开机后，风机振动突然上升，影响设备安全运行。为确定振动原因，对风机振动数据进行了采集和分析。

风机运行时，转速为1313 r/min，转频为21.88 Hz。从频谱图（图6）中分析，风机转频振幅过大，超出正常值。

机械设备由于制造安装的原因，任何设备在运行过程中均存在一定的偏心量，这也是造成设备振动的一个主要原因。但设备制造时均会进行动平衡校定，因此实际运行过程中，设备振动值不会很大，一般≤4 mm/s。而此时风机转频振幅达到10.52 mm/s，并激发出了基于转频的高次谐波，说明风机叶轮应该出现严重的动不平衡问题。为验证该判断，在操作人员配合下，将风机转速降为1000 r/min以下，风机振动值下降明显。根据离心力计算公式F=meω2，当偏心距一定时，叶轮的振动与转速的平方成正比，从而进一步验证了之前的判断。车间利用停炉检修机会检查叶轮，发现叶轮背风面积灰严重，叶轮严重动不平衡。清灰后，风机运行正常。分析原因，判断是叶轮积灰原因为风机停运期间，未做好防护措施，致使大量烟尘通过风道沉积在叶轮上。

〔编辑 凌瑞〕

图4 辊子振动频谱图

图5 压榨部示意图

图6 风机频谱图

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.42

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