钢铁企业动旋转设备振动信号采集技术研究及应用.pdf

D0I:10.16534/th.2023.07.106技术应用andNo.7,2023DevelopmentManagementMechanical2023年第7 期Total.243总第2 43期机械管理开发钢铁企业动旋转设采集技术研究及应用冯杰，马刘斌，范小军，梁晓凤，王鑫，何英锋（太原钢铁（集团）电气有限公司，I山西太原030003)摘要：动旋转设备是钢铁企业中应用最广的关键设备，目前振动分析是动旋转设备监测的最优手段之一，随着数字化时代的到来，监测平台采集的振动信号呈指数增长。将钢铁企业动旋转设备按运行工况分为恒速恒载设备和变速变载设备，根据工况和工作环境等要求选择不同振动传感器建立多轨制采集策略，兼顾技术和经济性最优化配置测量定义，开发智能采集策略，实现精准捕捉设备异常振动信号，最大程度避免无效数据采集，提升设备监测质量和效率。关键词：振动传感器；信号采集；采集策略；振动分析中图分类号：TH165.3文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3X(2023)07-0260-020引言钢铁制造过程涵盖采矿、烧结、炼焦、炼铁、炼钢、热轧、冷轧、带钢、钢管等工序。钢铁生产流程长、工序复杂、生产设备类型多样、设备工况及运行环境差异大。随着信息化与工业化的深度融合，信息技术渗透到了工业企业产业链的各个环节，工业传感器、工业自动控制系统、工业物联网等技术在工业企业中得到广泛应用。钢铁企业设备管理逐步向集约化、数智化、专业化方向发展。目前设备状态监测手段包括振动、润滑、磨损、电流、红外成像、超声、黏度等监测方法，其中以“振动+温度”的监测方法可感知钢铁企业动旋转设备最为广泛的设备故障，同时其技术可行性及经济性最优。动旋转设备包括电机、风机、泵、齿轮箱、轧机、卷取机、辊类、磨机、破碎机、压缩机等，是钢铁企业中的关键生产、环保设备。在生产线高速运转过程中，由设备所产生、采集和处理的数据量成指数增加，对计算机、网络等软硬件提出了更高要求。如何有选择性地、高效智能地采集、传输、储存有效信号，减少“垃圾 信号对系统资源的浪费成为企业面临的巨大挑战。1振动传感器技术要求钢铁企业动旋转设备按运行工况可大体分为两类，分别为恒速恒载设备和变速变载设备。恒速恒载设备主要分布在铁前、炼钢工序，包括风机、泵、皮带机等；变速变载设备有分布在轧钢工序的轧机、卷取机、辊类等和分布在辅助工序的磨机、破碎机等。不同工况特点和运行环境对传感器应用技术提出极高要求。振动传感器的主要技术参数包括供电方式、通信方式、安装方式、工作温度、防护等级、量程、灵敏度、频响范围、采样频率、分析频率、采样长度等。无线传感器具有布设灵活、安装成本低的优点，尤其是在故障率高或安装环境复杂的设备上，设备本体维护或检修需要频繁拆装传感器，一般情况下优先选择无线传感器。无线传感器由电池供电，如果采集频率过高，会使得电池电量消耗过快，不便于维护，相比变速变载设备监测要求高的采集频率，无线传感器更加适用于恒速恒载设备。在钢铁生产工序中,环境极其恶劣，要求传感器有高的防护等级，一般要达到IP65以上，部分环境对传感器提出IP68及防爆要求。部分高温场景（如烧结脱硫增压轴流风机轴承座振动监测）需要使用耐高温传感器振动传感器的选择需要同时考虑所监测设备的故障类别及运行条件。动旋转设备常见故障包括不平衡、不对中（联轴器故障）、结构松动、旋转性松动等工频故障以及滚动轴承故障、齿轮故障、泵的汽蚀和湍流等。恒速恒载动旋转设备的转速一般为6 0 0 30 0 0r/min，工频故障特征频率一般在1 12 倍转频,且在速度信号中最为明显；轴承早期故障特征在最大分析频率为2 0 0 0 0 Hz以下高频加速度信号可以发现，2 0 0 0Hz以下可以发现大部分齿轮故障。因此恒速恒载设备监测要求传感器有宽的频响范围（2 2 0 0 0 0 Hz），采样频率达到5 1.2 kHz（最大分析频率2.5 6），采样频率确定的情况下，采样长度越长，频率分辨率（与采样时间呈反比)越高，换算公式如下：T=TsNNNn(1)Fs2.56F.Fmaxmax式中：T为采样时间；Ts为采样点之间的时间间隔;N为采样长度；n为谱线数；F为采样频率；Fmx为最大频率。在动旋转设备振动分析中，一般要求频率分辨率最低达到0.5 Hz以下，因此在测量定义时，应做好最大分析频率和采样长度的搭配。相比恒速恒载动旋转设备的监测，变速变载动旋转设备有低速、重载、冲击的工况特征,转速范围一般收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 7第一作者简介：冯杰（19 9 1一），男，山西武乡人，本科，毕业于长安大学，从事设备智能运维、设备故障诊断技术研究。下转第2 6 4 页.261冯杰，等：钢铁企业动旋转设备号采集技术研究及应用2023年第7 期为0 15 0 0 r/min，对低频信号的感知要求更高，要求传感器频响范围下限更低，一般采用0.4 15 0 0 0 Hz，多变的工况特征要求更高的信号采集频率，才能分析时刻变化的工况,因此多使用有线传感器 2 2多轨制采集策略的建立实现报警实时监测，要求数据采样周期短、回传速度快，数据要“小”；实现精密诊断，要求波形长度足够长，数据要“大”,存在数据“大”与“小 的矛盾；一种波形不能同时满足不同种类故障诊断需求，根据动旋转设备故障表现形式，将波形信号粗略分为高频加速度波形、低频加速度波形、速度波形。综合用途和经济性考虑，建立多轨制采集策略，将信号分为指标信号、波形信号、长波形信号，采集定义建议如表1、表2 所示。表1恒速恒载设备测量定义推荐信号采集周期测量定义用途振动有效值、峭度、频带能指标信号310min报警触发量、轴承表面温度等波形采样点数6 4 k，分析频高频加速度波形12h率2 2 0 0 0 0 Hz低频加速度波形12h12h精密诊断波形采样点数8 k，分析频率速度波形12h101000 Hz波形采样点数5 12 k，分析频长波形24h超精密诊断率2 0 0 0 0 Hz注：1k=1024点。表2变速变载设备测量定义推荐信号采集周期测量定义用途振动有效值、峭度、频带能指标信号1030s报警触发量、轴承表面温度等波形采样点数12 8 k，分析频高频加速度波形3060 min率0.1 2 0 0 0 0 Hz波形采样点数2 5 6 k/128k，分低频加速度波形3060 min精密诊断析频率0.1 2 0 0 0 Hz波形采样点数16 k，分析频速度波形3060 min率2 10 0 0 Hz波形采样点数2 M/1024k，分析频率2 0 0 0 0 Hz长波形112h超精密诊断波形来样点数2 M/1024k，分析频率2 0 0 0 Hz注：1k=1024点；1M=1048576点。3采集策略自适应功能开发既要高密度、多维度采集海量数据，避免有效信息的遗漏，也要最大程度避免无效信号的采集，降低系统传输、存储、处理数据的资源浪费。研发智能采集策略，实现无效数据占比降低2 5%以上。1)加密采集策略：异常指标自动触发波形加密采集，及时抓取设备故障信息，快速推送诊断结论；2）不采策略：配置启停机自识别策略或关联启停机、电流等信号，智能规避无效的停机信号采集；配置误信号与工况信号自识别策略，智能规避误信号与工况信号采集；3)关联采集策略：关联转速、工况等信号，通过转速、工况等信号按配置规则触发采集，智能采集特定信号，提高信号质量。4采集技术应用案例热连轧横切线精矫机电机功率为4 2 2 kW；转速范围为0 115 0 r/min，采用有线加速度传感器，磁吸+胶黏的安装方式，防护等级IP68，频响范围0.4 15 0 0 0Hz，安装位置选取电机自由端水平、电机负荷端水平、减速机高速轴输入端水平。3 个测点按照表2 推荐配置测量定义，并配置加密采集策略。2023年3 月2 0 日3:0 1电机两端速度RMS连续6 点（3 min)升高（见图1、图2）,且速率升高超过25%，触发指标报警（报警规则为持续3 个点超10mm/s），同时启动波形加密采集（采集到3:0 4 的波形，见图3），速度频谱显示2 倍转频能量较高（见图4），分析为联轴器故障并推送诊断报告。检修发现联轴器与轴配合松动，键槽磨损严重。5结语综合考虑设备属性、工况特征及运行环境等因素，选用合适的振动传感器并配置合理的测量定义，北电机自由端1H总值（速度）0.0 0 0 ms，2.3 4 3 m/s 20m/s223/03/2003:03:240.000ms.2.343m/s20m/s223/03/2003:03-13.5566Oms1000025599.2图1电机自由端水平向振动速度有效值趋势北侧电机自由端1H总值（速度）2 0 2 3/0 3/2 0 0 3:0 3:2 4，15.97 720.002028/03/2003:03:2415.97710.000.00003-2002:50:0003-2003:00:0003-2003:10:00图2电机负荷端水平向振动速度有效值趋势北侧电机自由端1H总值（速度）14.4 14 Hz，0.0 4 4 m/5 22X:3X:4X:5X:6X:7X:8X9X10X）1X 12 X 13 X 14 X0m/s214.414Hz.0.044m/s223/03/2003:03:24-0.29880m/s223/03/20.03:0324OHz50100150200图3电机两端水平向加密采集的振动速度波形北侧电机负荷端2 H总值（速度）2 0 2 3/0 3/2 0 0 3:0 3:2 4，10.7 7 420.002023/03/2003:0324,10.77410.000.00003-2002:50:0003-2003:00:0003-2003:10.00图4电机两端水平向振动速度频谱(编辑：王婧）上接第2 6 1页（编辑：李俊慧）264第3 8 卷机械管理开发3结论1)3508孤岛工作面回采的5 号煤层埋深均值305m，采面开采期间地应力显现不明显，但是由于采面为孤岛工作面,开采动压影响较为显著。为确保采面过空巷安全，依据现场情况提出采用泵送支柱方式支护强化空巷围岩支护。2)根据现场需要，泵送支柱选用双液充填材料，该充填材料具备胶结时间以及抗压强度可调等优点，混合胶结后材料抗压强度可达到8 15 MPa；在空巷内布置2 排充填支柱，支柱直径8 0 0 mm，排距2 0 0 0mm、间距3 0 0 0 mm。3)现场应用后，采面在过空巷期时充填支柱始终稳定，空巷围岩变形量虽然在采动影响下围岩变形量有所增大但变形量在允许范围内；采面在过空巷期间顶板始终保持稳定，仅煤壁出现小范围片帮情况，片帮深度在3 0 0 mm以内。3 5 0 8 孤岛工作面采用泵送支护对空巷进行支护，支护体系可确保空巷围岩稳定。参考文献1张卫兵.3-边角0 5 工作面过空巷期间的安全技术研究 J.能源与节能,2 0 2 2(2)：8 0-8 2.2胡振华.回采工作面过空巷安全技术研究 .自动化应用，2 0 2 0(7):171-172.3王延年.王庄煤矿6 2 12 煤柱工作面过空巷围岩控制技术 J.煤，2019,28(11):39-40;49.4刘锐.小头窑煤矿综采面过空巷技术及其应用.山西能源学院学报,2 0 18,3 1(4):12-14.5张泽亮.综采工作面过断层及空巷期间安全技术分析 J.能源与节能,2 0 17(7):13 3-13 4.6徐云波.综采工作面过空巷技术研究 J.山东工业技术，2 0 16(2 3)：230.7王大鹏，刘前进沙坪煤矿8 号上煤极近距离跨空巷回采技术J.煤矿安全，2 0 16,4 7(11)：14 6-14 9.8张德宝.马营煤矿复采工作面过老空巷矿压显现特征及关键技术研究 D.阜新：辽宁工程技术大学，2 0 15.9赵慧波.孤岛工作面过空巷采用充填技术实现安全回采研究与实践 J.中小企业管理与科技（下旬刊），2 0 12（8）：15 6-15 7.Study on the Safety Technology of Crossing Empty Lanes at Isolated Working FacesShen Mingming(Huozhou Coal Power Jinbei Energy&Chemical Co.,Ltd.,Jingle Shanxi 035100,China)Abstract:Taking 3508 isolated island working face over hollow lane as the research object,in view of the stress concentration within themining area of the mining face and the dificulties in controlling the surrounding rock in the hollow lane under the influence of miningmovement,the pumping pillar method is proposed to support the hollow lane.According to the site condition of 3508 isolated face,the typeof pumping pillar filling material,pillar arrangement scheme and flling process were ensured and applied in the project.After theapplication,the deformation of the surrounding rocks of the openings during the crossing of the openings was small,and the roof and coalwall of the mining face were basically stable.Key words:isolated working face;mining pressure;flling pillar;surrounding rock control捕捉到我们关注的故障特征，采用多轨制采集策略可同时满足报警实时监控和精密诊断的数据要求并精准捕捉设备异常振动信号，通过自适应采集策略的配置，可最大程度避免无效数据采集，提升设备监测质量和效率。参考文献1靳鹏飞.设备状态在线监测与预测性维护技术应用实践 .电子质量,2 0 2 2(1):7 6-7 8.2许子非，金江涛，李春.基于多尺度卷积神经网络的滚动轴承故障诊断方法 J.振动与冲击，2 0 2 1，4 0（18）：2 12-2 2 0.Research and Application of Vibration Signal Acquisition Technology for Dynamic RotatingEquipment in Iron and Steel EnterprisesFeng Jie,Ma Liubin,Fan Xiaojun,Liang Xiaofeng,Wang Xin,He Yingfeng(Taiyuan Iron&Steal(Group)Electric Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003,China)Abstract:Dynamic rotating equipment is the most widely used key equipment in iron and steel enterprises.At present,vibration analysis isone of the optimal means to monitor dynamic rotating equipment,and with the arrival of the digital era,the vibration signals collected bythe monitoring platform are growing exponentially.According to the operating conditions of the steel enterprises,the dynamic rotatingequipment is divided into constant speed and constant load equipment and variable speed and variable load equipment,different vibrationsensors are selected according to the requirements of the operating conditions and working environment,a multi-track acquisition strategy isestablished,the measurement definition is optimally configured taking into account the technical and economic aspects,and an intelligentacquisition strategy is developed to achieve accurate capture of abnormal vibration signals of the equipment,avoid invalid data collection tothe greatest extent,and improve the quality and efficiency of equipment monitoring.Key words:vibration sensors;signal acquisition;acquisition strategy;vibration analysis