高炉炉顶大型齿轮箱监测诊断系统

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.03.024 第22卷第3期 北京科技大学学报 Vol.22 No.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 高炉炉顶大型齿轮箱监测诊断系统 董英斌”高立新》孙勤刚)吕卫阳》 1)北京工业大学计算机学院，北京1000222)武汉钢铁（集团）公司炼铁厂，武汉4300833)北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要介绍了武钢炼铁厂5高炉罐式炉顶齿轮箱监测诊断系统，该系统通过安装振动传感 器和共振解调装置，对电流、氮气和水的压力、流量、温度等参数进行综合监测，达到故障诊断 和支持维修决策的目的， 关键词设备诊断：在线监测：齿轮箱：计算机 分类号TH165.3 目前，炼铁厂高炉的炉顶布料普遍采用无 料钟炉顶连续布料方式，为了保护传动变速系 倾翻电机 统，采用水冷和增压氮气密封方式.在生产过程 ·白一旋转电机 中，受载荷、温度和操作维护等方面的影响，传 一上部齿轮箱 动齿轮箱易产生齿轮、轴承的损坏和螺栓断裂 进水管 下部齿轮箱， 等故障，造成电机负荷过重，电流过高而迫使高 炉休风，严重影响生产.由于这些故障的渐变性 .大齿轮 和随机性，仅靠目前的电流、氨气、水及人工监 测，很难将事故制止在萌芽状态. 出水管 1系统构成 中心喉口 倾动齿轮箱 水冷传动齿轮箱是罐式炉顶的心脏设备（见 图1水冷传动齿轮箱总图 图1).该设备是引进卢森堡P.W公司80年代的 Fig.1 Schematic diagram for gearboxes on can-type of 产品，其布料方式灵活，利于高压操作，维护和检 blast furnace 修方便，齿轮箱的寿命为一代炉龄(10年左右). 投产6年后于1997年9月起该设备偶尔出现旋 (2)提取冲击脉冲信号，根据解调原理，提取 转电机电流波动现象，在某一转角范围内电流 测点振动的高频成分加以放大和检波，以得到 偏高，间或出现动力开关跳闸，影响高炉正常生 反映轴承和齿轮故障的冲击脉冲信号， 产 (3)信号采集.信号经抗频率混叠滤波，程控 为此，采用设备状态监测和诊断技术，通过 放大至AD转换，为保证采样的灵活性，上述切 安装振动传感器和共振解调装置，对电流、氮气 换、滤波及放大均应用程序控制，采样数据存储 和水的压力、流量、温度等参数进行综合监测和 在硬盘上， 分析，达到设备状态监测、趋势分析、故障诊断 (4)信号监测和分析.振动信号被采集后，实 和支持维修决策的目的。 现24h常规监测和初级报警并在计算机中进行 1.1系统硬件构成 处理和分析，考虑高炉炉顶温度较高、灰尘大、 系统硬件工作原理见图2.整个系统硬件可 煤气腐蚀等因素，所有器件尽可能安装在高炉 分为4个部分： 主控室内，现场信号进主控室内均采用安全防爆 (1)信号测取.使振动信号变为经过放大的 栅耦合；为了增强信号长距离传输时的抗干扰能 电信号，监测点说明见表1. 力，减少传输时线损造成的信号衰减，传感器采 用B&K公司内置前置放大器的加速度计，由振动 1999-09-29收稿董英斌男，56岁，教授 和解调检测仪提供恒流供电和接受传感器前置放

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ’ 高炉炉顶大型齿轮箱监测诊断系统 董英斌 ” 高立新 ‘， 孙勤刚 ” 北京工业大学计算机学 院 ， 北京 武汉钢 铁 集 团 公司炼铁厂 ， 武汉 吕卫 阳 ’ 北京科技大学机械工程学院 ， 北京 摘 要 介绍 了武钢 炼铁 厂 ‘ 高炉罐式炉顶齿轮箱 监 测诊 断系统 该系统通过 安装振动传感 器和 共振解 调 装 置 ， 对 电流 、 氮 气和 水 的压 力 、 流 量 、 温度等参数进行综合监 测 ， 达 到故 障诊 断 和 支持 维修 决策 的 目的 关键词 设备诊断 在线监 测 齿轮箱 计 算机 分 类号 目前 ， 炼铁 厂 高炉 的炉 顶 布料 普遍 采用 无 料 钟 炉 顶连续布 料 方 式 ， 为 了保护 传 动 变速 系 统 ， 采用水冷和 增 压 氮气 密 封 方 式 在 生 产 过 程 中 ， 受载荷 、 温度 和 操 作 维 护 等 方 面 的影 响 ， 传 动 齿轮箱 易产 生 齿 轮 、 轴 承 的损 坏 和 螺栓断裂 等故 障 ， 造成 电机 负荷 过 重 ， 电流 过 高而 迫 使 高 炉休风 ， 严 重影 响生产 由于 这 些 故 障的渐变性 和 随机性 ， 仅靠 目前 的 电流 、 氮 气 、 水 及 人 工 监 测 ， 很难将事故制止在萌芽状态【 尸十 公 一 系统构成 水冷传动齿轮箱 是罐 式炉 顶 的心脏 设备 见 图 该设备 是 引进 卢 森堡 公 司 年代 的 产 品 其布料 方 式 灵 活 ，利 于 高压 操作 ，维 护 和 检 修方便 ， 齿轮箱 的寿命 为一 代炉 龄 年左 右 投 产 年 后 于 年 月起 该 设 备 偶 尔 出现 旋 转 电机 电流 波动 现象 ， 在 某一 转 角 范 围 内电流 偏高 ， 间或 出现 动 力 开 关 跳 闸 ， 影 响 高炉 正 常 生 产 为此 ， 采用 设 备状态 监 测 和 诊 断 技 术 ， 通 过 安装振动 传 感 器 和 共 振解 调 装 置 ， 对 电流 、 氮气 和 水 的压 力 、 流 量 、 温度等参数进行 综合 监 测 和 分 析 ， 达到 设 备 状态 监 测 、 趋势 分 析 、 故 障诊 断 和 支持维修决策 的 目的 系统硬件构成 系统硬件工 作 原理 见 图 整 个系统 硬件 可 分为 个部分 信号 测 取 使振动 信 号 变 为 经 过 放大 的 电信号 监 测 点说 明见 表 中心喉 口 倾动齿轮箱 图 水冷传动齿轮箱总 图 啥 肠 一 ， 卯 一 一 收稿 董英斌 男 ， 岁 ， 教授 提 取 冲击脉冲信号 根据 解 调 原 理 ， 提取 钡 点振动 的高频成 分加 以放大和检波 ， 以得到 反 映 轴 承 和 齿 轮故 障 的冲击 脉冲信 号 信 号采集 信号经抗频率混 叠滤波 ， 程控 放 大 至 了 转换 ， 为保证 采样 的灵 活 性 ， 上 述切 换 、 滤波及 放大均应 用程序控制 ， 采 样数 据 存储 在 硬盘 上 信 号监 测和 分 析 振动 信号被采集后 ， 实 现 常规监测 和 初级报警并在计 算机 中进行 处 理和 分 析 考 虑 高炉 炉顶 温度较 高 、 灰 尘 大 、 煤气腐蚀 等 因 素 ， 所有器 件尽 可 能安装在高炉 主控室 内 ， 现场信号进主控室 内均采用安全防爆 栅祸合 为了增强信号长距离传输时的抗干扰能 力 ， 减少传输时线损造成 的信号衰减 ， 传感器采 用 公司 内置前置放大器的加速度计 ， 由振动 和解调检测仪提供恒流供 电和接受传感器前置放 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．03．024

Vol.22 No.3 董英斌等：高炉炉顶大型齿轮箱监测诊断系统 +279 加速度计 防爆柜 振 LED显示 报警电路 报警指示 加速度计 防爆柜 共振解调检 CRT显示 AD卡 计算机 打印机 加速度计 防爆柜 键盘 氮气PQT 入 隔离器 氮气PQT 隔离器 图2系统硬件工作原理图 Fig.2 Operational principle diagram of hardware system 表1监测点说明 2.2检修前数据分析 Table 1 Directions for monitor point 检修前不同时刻测定的数据见表2. 临测点对应监测部位名称 对应齿轮代号 表2不同时刻的检修数据 al 倾动涡轮涡杆 B151B170B188B139 Table 2 Data before overhaul B146B153B94B83 谐波分量Hz a2 旋转减速机I轴上部B52B77B73B56B61 序号 齿轮代号 说明 8:0010:0018:00 B133B94 1A43:E58 0.400.444.19 增加很快 a3 旋转减速机I轴底部B52B77B73B56B61 2B94:A34:B83:A340.260.413.75 增加很快 B133B94 3B139 0.590.492.71 增加很快 a4 上部齿轮箱空心轴B94B83A34A43E58 4B146 1.201.24 1.78 增加较快 a 下部齿轮箱上表面 A34A43E58 5B188:B161 1.30 0.83 1.77 增加较快 a6下部齿轮箱大齿圈 A34A43E58 6B153b 0.730.611.44增加较快 大器的信号 7B73b,b133 1.501.200.81有所下降 振动和解调仪为5通道仪器，它具有如下 8B73a;B153 0.850.981.16略有增加 技术特点：(1)检测仪表每个通道都可分离出振 (1)A43,E582对齿轮的啮合频率（即倾动小 动和共振解调信号：(2)检测仪表设振动和解调 齿圈与倾动减速机的啮合频率)振幅的变化为： 信号输出分选器，计算机可控选择振动和解调 0.4→0.44→4.19Hz,在一天之内振幅上升很快. 信号并行输入到计算机的AD接口. (2)B94/A34(即旋转大齿圈与空心轴上的旋 为了有效地进行状态监测和设备诊断，本 转轴小齿轮啮合对)和B83/A34(倾动大齿圈与 系统将齿轮箱已有的电流、氮气和水的压力、流 空心轴内的实心轴的小齿轮啮合对)两对齿轮 量、温度信号通过精密整流后变换为标准的 的啮合频率的振幅变化为：0.26→0.41→3.75Hz, 1-5VⅢ型表电压信号送到AD卡的输入端. 幅值均有不同程度升高， 1.2软件构成及其功能 2.3故障分析意见 软件系统的主要功能有：(1)实时信号采集、 从上面数据的变化可以判断：齿轮箱己处 处理、报警及故障辅助处理功能：(2)故障分析功 于故障状态.故障原因可能有二：()大小齿圈 能：(3)图形显示功能：(4)系统数据管理功能. 与旋转体吊挂螺栓发生拉断或松动，导致倾动 2应用实例 减速机移位，其上与倾动小齿圈相啮合的齿轮 啮合发生错位.(2)上部齿轮箱内轴承损坏. 2.1故障现象 2.4解体检查处理结果 1999年5月7日，5BF布料齿轮箱旋转电流 根据上述分析，铁厂确定5月19日对5号 从夜班开始出现异常波动，通过打干油进行强 高炉检修，检修前准备了大齿圈法兰高强度螺 制润滑，至晚上旋转电流逐渐回落，可以维持设 栓及夹板，齿轮箱打开后检查发现：大齿圈与旋 备运行. 转体吊挂螺栓拉断11根，最大法兰面间隔5mm

董英斌等 高炉炉顶大型齿轮箱监测 诊 断系统 加速度计 防爆柜 振 显示 报警 电路 报警指示 动 共 振解 显示 防爆柜 调 检测 卡 计算机 打印机 键盘 氮气 隔离器 图 系统硬件工作原理图 · 表 监测点说明 临测 点 对应监测部位名称 对应齿轮代号 倾动 涡 轮 涡 杆 旋 转减速 机 轴 上 部 旋转减速机 轴底 部 上部齿轮箱空心轴 下部齿轮箱上表面 下部齿轮箱大齿 圈 检修前数据分析 检修前不 同时刻 测 定 的数据 见表 表 不 同时刻 的检修数据 油 扭 代 序号 齿轮代号 谐波分量用 说明 大器 的信号 振动 和 解 调 仪 为 通 道仪 器 ， 它 具 有 如下 技术特 点 检测 仪表 每个通 道 都可 分离 出振 动 和 共 振解 调 信 号 检测 仪 表 设 振动和 解 调 信号输 出分选 器 ， 计 算机可 控选 择振 动 和 解 调 信 号 并行 输入 到计 算机 的 接 口 为 了有 效地进 行 状 态监 测 和 设 备 诊 断 ， 本 系统将齿轮 箱 已有 的 电流 、 氮气 和 水的压 力 、 流 量 、 温 度 信 号 通 过 精 密 整 流 后 变 换 为标 准 的 一 型 表 电压 信 号 送 到 月〕 卡 的输 入 端 软件构成及其功 能 软件 系统 的主 要 功能有 实时信 号采集 、 处理 、 报警及 故 障辅助 处 理 功 能 故 障分 析 功 能 图形 显 示 功 能 系统 数据 管 理 功 能 应用实例 故障现象 年 月 日 ， 布 料 齿 轮 箱 旋转 电流 从夜班 开始 出现 异 常波动 ， 通 过 打干 油进 行 强 制润 滑 ，至 晚上 旋 转 电流 逐渐 回落 ， 可 以维 持 设 备运行 增加很快 增加很快 增加很快 增加较快 增加较快 增加较快 有所下降 略有增加 ， 对 齿轮 的啮合频 率 即倾动 小 齿 圈与倾动 减速 机 的啮合 频 率 振幅 的变化 为 科 ，在 一 天之 内振 幅上 升 很 快 即旋转 大齿 圈与 空心 轴上 的旋 转轴 小齿轮 啮合对 和 倾动 大齿 圈与 空 心 轴 内的实心 轴 的小齿轮 啮合对 两 对齿轮 的啮合频率的振幅变化为 ， 幅值均 有 不 同程度 升 高 故障分析意见 从上 面 数据 的变化可 以判 断 齿 轮箱 已 处 于 故 障状 态 故 障 原 因 可 能有 二 大 小 齿 圈 与旋转体 吊挂螺栓发生 拉 断或松动 ， 导 致倾动 减速机移位 ， 其上 与倾 动 小齿 圈相 啮 合 的齿轮 啮合 发生 错位 上 部齿 轮箱 内轴承 损 坏 解体检查处理结果 根据 上 述 分析 ， 铁 厂 确 定 月 日对 号 高炉检修 ， 检修前准备 了大齿 圈法 兰 高强 度螺 栓及 夹板 齿轮箱打 开 后 检 查 发现 大 齿 圈与 旋 转体 吊挂 螺栓拉 断 根 ， 最 大法兰面 间隔

·280· 北京科技大学学报 2000年第3期 与故障分析1相吻合；随即迅速进行了处理，设30日数据跟踪可见，仍出现0.49Hz的谐波分 备投运后一直运行正常. 量，并有明显的解调波冲击信号，说明该系统仍 2.5检修后数据采集分析（表3） 然存在故障，由于没有轴承和齿轮轴部件的有 检修后数据分析如下：(1)由4测点可看出 关参数，无法找出对应的特征频率，无法判断产 齿轮对啮合频率的幅值均下降，这说明更换螺 生0.49Hz的振源，由于0.49Hz是从4,5,6测 栓后，齿轮处于正常状态：(2)从5月20日至6月 点反映出来的，可初步排除测点松动，0.49Hz仍 表3不同时间测定的检修后数据 Table 3 Data after overhaul 谐波分量H2 序号 齿轮代号 5月7日 5月20日 1 A43E58 0.40→0.44+4.19 0.25→0.15→0.22 2 B943A34:E83A34 0.26→0.41+3.75 0.26→0.19→0.45 3 B139 0.59+0.49→2.71. 0.13→0.11→0.35 B146 1.20→1.24→1.78 0.30+0.27+0.21 5 B188B161 1.30+0.83→1.77 0.17+0.28→0.32 6 B。1536Q 0.73→0.61→1.44 0.27+0.25→0.15 7 B736B133 1.50+1.20→0.81 0.17-→0.16+0.23 8 B73B153 0.85→0.98→1.16 0.21→0.20→0.19 是目前齿轮箱内潜在故障源的重要特征数据. 1998(11):3 参考文献 2吕卫阳小波和分形在微孔钻削状态监测中的应用[学 位论文]北京：北京科技大学博士论文，1998 1蹇华.高炉罐式炉顶齿轮箱的性能及优化.武钢技术 Monitoring and Diagnosis System for Large Gear Box in Ironmaking Plant DONG Yingbin,GAO Lixin,SUN Qingang,LU Weiyang 1Computer institute of Beijing Polytechnic University,Beijing 100022,China 2)ron Making Plant of Wuhan Iron&Steel Corporation 3)Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT By way of vibration transducer and demodulation device,the parameter of the electric current, the pressure,the flow and the temperature of nitrogen and water of the equipment can be monitored,com- prehensively and the goal of fault diagnosis and maintenance decision,the management ofequipments can be achived.As a practical example described the monitoring and diagnosis system was described for gear box pot type furnace top of No.5 BF at the Ironmaking Plant of WISCO. KEY WORDS equipment diagnosis;online monitoring;gear box;computer

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 与故 障分析 相 吻 合 随 即 迅速进 行 了 处 理 ， 设 备 投运后 一 直 运行 正 常 检修后数据采集分析 表 检修后 数据 分 析 如 下 由 详 测 点可 看 出 齿轮 对 啮合 频 率 的幅值均下 降 ， 这 说 明更 换螺 栓后 ， 齿 轮 处 于 正 常状态 从 月 日至 月 日数据 跟 踪 可 见 ， 仍 出现 的谐波分 量 ， 并有 明显 的解调波冲击信号 ， 说 明该系统仍 然存 在 故 障 ， 由于 没 有轴承和 齿 轮轴 部 件 的有 关参数 ， 无法 找出对应 的特征频率 ， 无法判 断产 生 的振源 ， 由于 是 从 犷 ， ， 测 点反映 出来的 ， 可初 步排 除测 点松动 ， 仍 表 不同时间测定的检修后数据 油 谐波分量川比 序号 齿轮代号 月 日 月 日 。 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 是 目前齿 轮箱 内潜在故 障源 的重 要特征 数据 参 考 文 献 赛华 高炉罐式炉顶齿轮箱 的性 能及 优化 武钢技术 吕卫 阳 小波和分形在微孔钻削状态监测 中的应用 学 位论文 北京 北京科技大学博士 论文 ， 万 气 口 众 气 犷， 肠 心 ， 巧 俪 ， ， 耳旧 ， 卫 ， ， 厅 ， ， 止 ， ， 叮 训 加 翻