张玉奎，周金旭
摘要：基于专用振动传感器和解调仪的高炉无料钟炉顶布料器齿轮箱监测诊断系统，用于齿轮箱上振动加速度、温度、氮气和冷却水等多种参量信号的采集和处理，对齿轮箱的大型旋转支承、轴承、螺栓、齿轮和电动机等薄弱环节进行24小时在线监测。应用效果表明，系统可有效保证高炉安全生产，减少重要设备的停机时间，给企业创造了巨大的经济效益。
关键词：高炉；振动监测；故障诊断
无料钟炉顶高炉的布料器齿轮箱是无料钟炉顶的关键设备，系引进卢森堡P.W公司20世纪80年代专利产品，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（10年左右）。
该高炉投产6年后，于1997年9月起旋转电机偶尔出现电流波动现象，在某一转角范围内电流偏高，间或出现动力开关跳闸。由于这些故障的渐变性和随机性，仅靠监测电流、氮气、水等参数，很难早期发现事故隐患。为此，研制了基于振动的“高炉无料钟炉顶布料器齿轮箱监测诊断系统”，于1998年12月试运行，2000年1月正式投入运行。
一、系统开发关键技术
针对布料器齿轮箱的结构特点，系统采用了共振解调、小波分析、专家系统和嵌入式技术等，特别开发了针对低频微冲击信号处理的软硬件。系统主要用于齿轮箱上振动加速度、温度、氮气和冷却水等多种参量信号的采集和处理，对大型旋转支承、轴承、螺栓、齿轮和电动机等齿轮箱的薄弱环节进行24小时不间断在线监测。
测点布置情况见表1，计有倾动电机转速一个，旋转电机转速一个，齿轮箱振动六个，齿轮箱温度三个，上升管温度两个。
由于只有主体用户主要需求和硬件指标，无定量的具体指标要求，存在多次修改的可能性，因此采用原型法（Prototype）开发本系统。
系统开发过程中采用了如下关键技术。
1．旋转支承是齿轮箱中承受载荷最大的部件，在振动、高温、灰尘和高炉煤气的复合作用下长年运行，工况恶劣，易突发故障，是监测维护的重点。
为了提取大型旋转支承的多脉冲微冲击信号，在圆锥形齿轮箱上安装了测量振动的专用传感器座，将振动信号引出到低温区进行测量，通过振动信号的变异判断故障部位。
布料器齿轮箱受物料坠落和恶劣工况的影响，干扰信号大，而零部件早期故障隐患产生的低频冲击信号十分微小。为此，配置了基于共振解调技术的检测仪，可以将低频微弱信号在高中频段显现并放大，避免了早期故障信号的丢失。
2．自行研制开发了集振动、温度、电流信号测量为一体的网络版专用在线监测系统，可自动监测，也可在人工干预下监测；有完善的信号采集、存贮、报警、分析和处理功能。
自行设计了工业信号测量解决方案，实现了信号硬件处理的高度一致性，硬件可编程，符合IVI规范，信号预处理及A/D卡支持plug&play，方便使用和扩展，配以美国PCB公司生产的低频传感器，保证了硬件系统的高质量和稳定性。
系统有数据采集、数据报警、信号分析、数据管理等功能，采用分钟数据（每3分钟采一组样）、小时数据（保留最近48小时的数据）和天数据的递推结构（每天10点汇总最近24小时数据，其平均值为当天记录数据，保留最近60天数据）。天数据可以实施定期存贮。每7天汇总为一份周数据文件，共保留100周数据文件。档案管理功能包括数据显示、打印和档案转存（用作相对基准比较数据文件或设备从装机运行到检修整个周期的档案数据保留），天数据用以进行趋势分析及故障预报。
3．远程诊断网络采用分布式网络结构，以TCP/IP协议为基础通信，系统预定义通信端口号(Port)进行网络侦听，实现IP包传输功能，同时支持IP地址和计算机名连接。远程拨号则使用网络操作系统(NT/WIN2000)的RAS建立连接，实现数据共享。如果增加软件可将状态监测和故障诊断的数据图形转化为HTML格式发布到Web网页上，使用浏览器即可观察设备运行状态。实现了在企业Intranet的分布式应用，同时通过ISDN联入Internet，建立基于HTFP的FTP服务，完成远程数据共享。
4．研制开发了针对高炉常见故障的人机交互故障诊断专家系统原型，整理了1#6#高炉炉顶齿轮箱典型故障案例；对差动齿轮箱传动链进行了准确计算，推导出在布料器纯旋转、纯倾动、旋倾同向、旋倾反向、1/3速度旋转五种运行状态下的故障特征频率，采集了20种以上轴承滚动体等参数。
建立了三座高炉布料器齿轮箱动态运行档案，积累了3年以上振动数据，不仅方便了本企业准确诊断故障，也为其它企业和科研单位二次利用奠定了基础。
二、应用效果
1．发现螺栓拉断隐患
1999年5月7日，5#高炉布料器齿轮箱旋转电流从夜班开始异常波动，振动数据分析见表2。
由数据分析可判断齿轮箱已处于故障状态，有如下两种可能：(1)大小齿圈与旋转体吊挂螺栓松动或拉断，导致倾动减速机移位，其上与倾动小齿圈相啮合的齿轮错位；(2)齿轮箱内轴承损坏。
据此对5#高炉进行了定修。打开齿轮箱检查发现，大齿圈与旋转体吊挂螺栓拉断11根，法兰面最大间隔5mm，与故障分析相吻合；由于定修前已根据故障诊断意见准备了高强度螺栓及夹板，很快更换了损坏的螺栓，节省了大量检修时间。
2．预测大型旋转支承故障隐患
2003年4月20日，某布料器齿轮箱旋转电流升高，噪声异常。布料器多次起停后，旋转电流均超标，其后，传动齿轮箱很快便根本无法运行。
对3#测点的振动数据分析发现，在故障初期频谱（图1）中133.2Hz的幅值为0.19m/s2，而故障中期频谱（图2）中133Hz谱线的幅值达0.30m/s2,这是旋转大齿圈传动系的啮合频率，表明旋转大齿圈及相关零件出现故障。
三、结论
1．武钢炼铁厂高炉无料钟炉顶齿轮箱振动监测诊断系统针对设备特定结构开发的软硬件，可有效提取齿轮箱低频微冲击故障信号，效果良好。
2．实践表明，高炉布料器齿轮箱监测诊断系统是大型旋转支承和大小齿圈与旋转体吊挂螺栓这两个薄弱环节监测诊断的有效工具。
参考文献：
高立新，张键，魏厚培，叶辉．周凤星，张建宇．大型齿轮箱回转支承故障诊断研究．北京工业大学学报，第31卷第1期：P11一15.
董英斌，高立新，孙勤刚，吕卫阳．高炉炉顶大型齿轮箱监测诊断系统．北京科技大学学报，2000．第22卷第3期：P278-280.