OIS状态监测系统在炉卷轧机生产线中的应用

贾 昆，华 成，杨小兵

（酒泉钢铁（集团）有限责任公司，甘肃 嘉峪关735100）

1 前言

不锈钢炉卷轧机生产线实现不锈钢从板坯到卷材全流程轧制。其中粗轧机经过5～7道次往复轧制将160～220 mm板坯轧制成为25～30 mm的中间坯，由粗轧机延时辊道将中间坯送往滚筒剪，滚筒剪将中间坯头部不规则及缺陷部分切除后送往精轧机，中间坯进入精轧机前由机前推床将中间坯头部进行对中，中间坯头部对中后送入精轧机根据二级设定轧制规程进行轧制，轧制中的厚度自动控制、板型控制及设备动作逻辑控制由TCS进行自动控制，经3～7道次轧制后将中间坯轧制为成品热态厚度，经层流冷却辊道采用不同的产品冷却策略将轧后板带送往地下卷取机进行卷取。从整个生产流程可以看出，轧机、卷取机、滚筒剪是关键的设备，运行状态的稳定性直接关系到生产顺行。因此，以轧机、卷取机、滚筒剪等设备的电机和减速机为监测对象，构建基于振动冲击脉冲和振动加速度检测技术为基础的在线监测系统，并采用基于规则的报警自动跟踪故障的发生、发展，对保障生产线的稳定顺行具有重要意义。

2 OIS状态监测系统的构建

以设备管理信息化系统为基础，通过PQ仪、光谱分析仪和铁谱分析仪对关键齿轮箱和万向轴采集的油样进行金属颗粒物成分化验，化验结果上传公司服务器，在客户端利用点巡检系统中趋势分析模块对金属成分进行长期跟踪，同时利用铁谱分析的图谱进行故障模式匹配，进而定量分析设备结构件的损害程度，监控设备的劣化趋势。IOS在线监测系统架构如图1所示。

图1 IOS在线监测系统架构

OIS状态监测系统由冲击脉冲传感器、低频加速度传感器、常规加速度传感器、电涡流转速传感器、现场监测单元、手持仪器、网线及局域网、服务器/工作站等构成，通过专用网线接入工厂服务器和局域网络，监测单元通过网络接口与网络及服务器组成专用的通讯网络。工厂服务器/工作站运行SQL数据库存储数据，运行LINX控制程序，实现对OIS硬件的设置、通讯及监测数据的采集、分析、处理、存储、报警。

3 OIS状态监测系统测点布置

3.1 粗轧主电机

两台粗轧主电机的前后轴承座，水平方向安装低频振动加速度传感器，获取主电机总体振动水平，评估平衡、松动、轴瓦磨损等；中间轴轴承座轴向安装一个低频振动加速度传感器，获取该点总体振动水平，评估轴瓦磨损、轴向窜动等；粗轧主电机输出轴各安装一只电涡流型转速传感器。

3.2 精轧机分配箱、电机

齿轮箱4个轴承位各安装一只冲击脉冲传感器，获取轴承冲击信息及齿轮啮合冲击信息，并做润滑评估与频谱分析；齿轮箱输入轴输入端垂向、下输出轴输入端水平、两个输出轴输出端中间轴向，各安装1个振动加速度传感器，获取齿轮箱总体振动水平，评估齿轮啮合、松动、对中、轴向蹿动等；精轧分配箱电机前后两个滑动轴承位水平方向，各安装1个振动加速度传感器；获取轴瓦振动信息及电机整体振动水平，评估电机轴不平衡、对中、电气问题等；在电机的输出轴，安装1个电涡流型转速传感器。

3.3 芯轴电机（连接入OIS-4#）

在每个电机前后两个滚动轴承位各安装1个冲击脉冲传感器，获取轴承冲击信息，并做润滑评估与频谱分析；在每个电机输出轴安装1个电涡流型转速传感器。

3.4 下卷取芯轴减速机及电机

在齿轮箱输入轴输出端轴承位、输出轴输入端轴承位，各安装1个冲击脉冲传感器，获取轴承冲击信息及齿轮啮合冲击信息，并做润滑评估与频谱分析；齿轮箱输入端轴向与输出端水平向，各安装1个振动加速度传感器，获取齿轮箱总体振动水平，评估齿轮啮合、松动、对中、轴向蹿动等；在每个电机前后两个滚动轴承位各安装1个冲击脉冲传感器，获取轴承冲击信息，并做润滑评估与频谱分析；电机输出轴，安装1个电涡流型转速传感器。

4 OIS状态监测系统功能

OIS状态监测系统，能够连续监测设备运行过程中的振动位移、速度、加速度、冲击脉冲值、转速等参数，以及振动与冲击脉冲的波形和频谱。系统提供针对机组的智能分析模块，可识别机组的运行状态，智能拟合齿轮啮合、轴承故障、对中不良、不平衡、松动等早期征兆，实现征兆趋势分析与记录，通过“绿、黄、红”及征兆棒图，给出故障部位、类型、严重程度、发展趋势的准确判断。系统具有各类轴承的轴承数据库，采用图形化界面展示各部位状态。系统可利用负载、转速等信息，采用变速变载分析技术，针对不同工况对机组振动进行智能标准的自学习，得到归一化的趋势分析结果，避免在不同工况下采用同一标准所带来的频繁误报及漏报。OIS状态监测系统具备以下10方面的使用性能：①图形化界面，设备、测点智能“绿黄红”指示，并可追溯至发生预警及警报的参数及故障征兆。②振动参数。可设定位移、速度、加速度、峰值因子、翘度、4个等级的摩擦当量。③振动分析。波形、频谱、加速度包络（可设定11种高通/带通滤波器）。④振动标准。单测点设置多个任务，并对各项参数、征兆指标设定两级报警。以ISO10816标准设定；用户自行设定；Condition Manager方式自学习设定。⑤冲击脉冲参数。HDm（轴承损伤程度）、HDc（轴承润滑状态）。⑥冲击脉冲分析。波形、频谱、HD波形、HD频谱。⑦EVAM智能诊断。可设定轴承内圈、外圈、滚动体、保持架、对中、平衡、叶轮、松动、齿轮啮合等数十种征兆，并针对每项征兆设定征兆值，进行趋势分析，并以绿黄红棒图指示。所有征兆值均可以自学习方式进行两级报警。⑧非稳态分析。采用阶比测试技术实现转速跟踪及修定，滤除转速变化影响。⑨采用征兆增强技术。⑩提供4～20 mA信号输入，可将载荷信号直接采集入系统，以便于变载下振动动态标准的设定。

同时，OIS状态监测系统具有以下3方面的优势：①系统利用转速限制来筛选掉不合格的数据，对于轧机齿轮箱，电机不取空转、停转时的数据。②对于设备负载不断变化的工况，OIS检测单元提供4～20 mA输入，可将载荷信号直接采集入系统，以便于振动动态标准的设定，运转3个月后，即可利用软件筛分不同工况下的状态；但对于工况变化不大的设备，无需设定动态标准，只须监控数据整体趋势的变化即可。③冲击脉冲的数值是与转速绑定的，最终的结果已经对转速进行了归一化处理，是一个动态标准，随转速变化自行调整。

5 OIS状态监测系统应用案例

5.1 下卷取芯轴减速机故障描述

2019 年某钢厂OIS状态监测系统显示，下卷取芯轴减速机输出端出现振动异常，其振动幅值高达到20.07 mm/s，技术人员立即对其进行了振动频谱分析。其垂直方向频域信号和时域信号可以看出，频域信号存在减速机输出端主频的基频及其谐波，高次谐波达到18倍频，未发现轴承故障频率。

其水平方向频域信号和时域信号可以看出，频域信号存在减速机输出端主频的基频及其谐波，其中2倍频最高，未发现轴承故障频率。

其轴向方向频域信号和时域信号可以看出，频域信号存在减速机输出端主频的基频及其谐波，时域信号存在削波，未发现轴承故障频率。但该测点的轴向振动幅值高达20.86 mm/s，远超过设备振动允许幅值（≤7.1 mm/s）。

5.2 下卷取芯轴减速机故障检查

通过对下卷取芯轴减速机输出端异常振动的频域信号和时域信号分析，频域存在主频及其高次谐波，时域存在削波，这说明机械连接部件可能存在松动的现象，并伴随摩擦。鉴于芯轴减速机输出端轴向振动值达20.86 mm/s，决定停机检修。

对设备解体后，发现安装轴承的安装部位有明显划痕，这说明该部位的轴承内圈松动，转轴与该轴承内圈存在相对滑动，产生摩擦，同时，该轴承内圈也有摩擦的痕迹。

从设备解体情况可以得出，芯轴减速机输出端，即减速机输出端轴承处存在松动，进而产生摩擦，这是减速机振动异常增大，声音异常的原因。

5.3 故障处理后减速机运行状况

更换轴承并对划伤轴安装位置进行处理后，相同测点的时频信号可看出，维修后设备振动幅值小，频域仅存在主频，不存在高次谐波，减速机运行平稳。