专利名称：冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的在线监测方法
技术领域：
本发明涉及齿轮箱在线运行状态的监测方法，尤其涉及一种冷轧酸洗拉矫 机齿轮箱运行状态的在线监测方法
背景技术：
在冶金行业，将酸洗机组与冷连轧机组连成一条机组达到连续生产。酸洗、 轧机联合后，不但保留了全连续轧机的优点，并有所发展；酸一轧联合机组的 优点投资成本低、减少工序、节省人力、縮短生产时间、生产成本低、减少 金属损耗、提高收得率、提高产品质量等。由于采用酸轧联合机组，使酸洗能 力提高10°/。，冷轧能力提高40%。到目前为止，全世界已建成二十多条酸轧联 合机组，其发展势头相当迅猛。
在冷轧的关键工艺中，酸洗是为了去除对冷轧有害的原料钢巻表面上的氧 化铁皮即除鳞，另外还有改善板形的作用。拉矫机工作状态的好坏将直接影响 到整条线的生产。拉矫机运行的关键部件为齿轮箱，由于拉矫机齿轮箱结构复 杂，通常采用离线振动测试方法实施精密诊断，对设备异常的分析诊断需要有 专门经验的技术人员才能完成。因此，有必要对拉矫机的齿轮箱进行在线监测， 实时掌握拉矫机的运行状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态 的在线监测方法，在拉矫机齿轮箱运行状态异常时能及时报警。
为解决上述技术问题，本发明冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的在线监测 方法，在齿轮箱各轴承座上设置若干振动传感器，所述方法包括如下步骤
步骤一、所述齿轮箱运行时，采集齿轮箱各轴承座实时振动信号，读取设 于齿轮箱轴承座上振动传感器的振动数值d;步骤二、根据所述齿轮箱系统的安装特性即转速频率X、齿轮箱内滚动轴 承的运行状态即滚动轴承外圈频率fBo和传动系统齿轮的啮合状态即齿轮啮合 频率GMF，设置所述齿轮箱运行状态监测的频带范围；
步骤三、在采集若干次齿轮箱各轴承座实时振动信号后，根据读取的振动
传感器数值d，按数理统计原理计算得出频带振动能量的平均值Ave (d)和方 差值o (d);
步骤四、根据所设定的齿轮箱运行状态监测频带范围及频带振动能量的平 均值和方差值，计算选定频带内实时振动的幅值Alarm (d);
步骤五、根据在设定频带内的实时振动幅值Alarm (d)，按公式Alarml(d) =1.5X (Ave (d) +2Xo (d))得出振动一级报警值，按公式Alarm2(d)= 2. 5X (Ave (d) +2X。
(d))得出二级报警值；
步骤六、将振动数值d与报警值Alarml(d)和Alarm2(d)进行比较，当d小 于Alarml(d)时，齿轮箱运行正常，当Alarral (d) 〈d〈Alarra2 (d)时，需对齿轮 箱运行引起注意，当d〉 Alarm2(d)时，齿轮箱运行异常，则监测系统报警并作 状态显示。
为使上述方法的原始数据正确有意义，上述的振动传感器有若干个，它们 分别安装在齿轮传动系统每个轴承上并以径向设定，以及至少一传动轴上并以 轴向设定。
由于本发明冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的在线监测方法采用了上述 技术方案，即通过在线监测拉矫机齿轮箱的振动信号，采用频带报警的方法预 报拉矫机齿轮箱的运行状态，可避免因拉矫机零部件损坏导致的设备非计划停 机，有力支撑酸轧生产线的正常生产。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明
图1为本发明冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的在线监测方法的流程图，
图2为行星齿轮系示意图，
图3为定轴齿轮系示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的在线监测方法，首先在 齿轮箱各轴承座上设置若干振动传感器，所述的方法包括如下步骤
步骤一、所述齿轮箱运行时，采集齿轮箱各轴承座实时振动信号，读取设 于齿轮箱轴承座上振动传感器的振动数值d;由于拉矫机齿轮箱结构复杂，为 保证振动监测的有效性，确定振动传感器测点布置的原则，即振动传感器在齿 轮传动系统每个轴承上径向设置一个， 一根轴上轴向设置一个。
步骤二、根据所述齿轮箱系统的安装特性即转速频率X、齿轮箱内滚动轴 承的运行状态即滚动轴承外圈频率fBo和传动系统齿轮的啮合状态即齿轮啮合 频率GMF，设置所述齿轮箱运行状态监测的频带范围；
步骤三、在采集若干次齿轮箱各轴承座实时振动信号后，根据读取的振动 传感器数值d，按数理统计原理计算得出频带振动能量的平均值Ave (d)和方
差值o (d);
步骤四、根据所设定的齿轮箱运行状态监测频带范围及频带振动能量的平 均值和方差值，计算选定频带内实时振动的幅值Alarm (d);
步骤五、根据在设定频带内的实时振动幅值Marm(d)，按公式iUaml(d) 二1.5X (Ave (d) +2Xcj (d))得出振动一级报警值，按公式Alarm2(d) 二 2.5X (Ave (d) +2Xo (d))得出二级报警值；
步骤六、将振动数值d与报警值Alarml(d)和Alarm2(d)进行比较，当d小 于Alarml(d)时，齿轮箱运行正常，当Alarml (d)〈羅arra2 (d)时，需对齿轮 箱运行引起注意，当d〉 Alarm2(d)时，齿轮箱运行异常，则监测系统报警并作 状态显示。
为使上述方法的原始数据正确有意义，上述的振动传感器有若干个，它们 分别安装在齿轮传动系统每个轴承上并以径向设定，以及至少一传动轴上并以 轴向设定。
齿轮传动在各种机器和机械设备中已获得了较广泛的应用。在机械传动装 置中，为了减速、增速或变速等特殊用途，经常采用一系列互相啮合的齿轮所 组成的传动系统，在《机械原理》中将这些齿轮传动系统称之为齿轮系。当齿轮系运转时，如果组成该齿轮系中至少有一个齿轮的几何轴线位置不 固定，而绕着其他齿轮的几何轴线旋转，即在该齿轮系中，至少具有一个作行 星运动的齿轮，称该齿轮传动为行星齿轮传动，即行星齿轮系。酸洗拉矫机齿 轮箱中即为行星齿轮系。
本监测方法采用频带报警的方法在线监测拉矫机齿轮箱的运行状态，主要 对齿轮箱内的齿轮传动系统和轴承进行振动监测。 (1)行星齿轮系传动比的计算
如图2所示，行星齿轮系中，行星轮Z2既绕本身的轴线自转，又绕0,或 0 公转，因此不能直接用定轴齿轮系传动比计算公式求解行星齿轮系的传动比， 而通常采用反转法来间接求解其传动比。
假定行星齿轮系各齿轮和行星架H的转速分别为n, 、 n2、 n3、 riH，齿数为 Zi(i二l,2,…)。对于一对齿轮的传动比为
传动比大小il2="l/"2 =Z2/Z1
现在整个行星齿轮系上加上一个与行星架转速大小相等、方向相反的公共 转速(一iiH)将行星齿轮系转化成一假想的定轴齿轮系，如图2。再用定轴齿 轮系的传动比计算公式，求解行星齿轮系传动比。
由相对运动原理可知，对整个行星齿轮系加上一个公共转速(一nu )以后， 该齿轮系中各构件之间的相对运动规律并不改变，但转速发生了变化，其变化 结果如下
变成
记作
齿轮1的转速 齿轮2的转速 齿轮3的转速 行星架H的转速:
/7i ■
("2 —T H)-
("3 —/ H>"
"1
《
《 0
轮1和3间的传动比可表达为
W3 W3 —
《-1)'
式中，U 表示反转机构中轮1与轮3相对于行星架H的传动比。"(一 1)"号表示在反转机构中有一对外啮合齿轮传动，传动比为负说明轮1与轮3 在反转机构中的转向相反。一般情况下若某单级行星齿轮系由多个齿轮构成，则传动比求法为
求传动比大小 .H ,H",- 从l轮到/t轮之间所有从动轮齿数的连乘积
《《k- 从1轮到^轮之间所有主动轮齿数的连乘积
标出反转机构中各个齿轮的转向，来确定传动比符号。当轮l与轮k的转 向相同，取"+"号，反之取"一"号。
对于组合齿轮系传动比计算，分别列出定轴齿轮系传动比和行星齿轮系传 动比的计算式，联立求解。
(2) 齿轮传动特征频率的计算
设某一根轴的转速为n(转/分钟)，则其转动频率f (Hz)按公式计算 f = n/60
输出轴的转速根据输入轴的转速和传动比进行换算。 齿轮啮合频率GMF二齿轮齿数X转速
(3) 滚动轴承固有频率计算
设某一根轴的转速为n(转/分钟)，滚动轴承内圈、外圈或滚动体上有缺陷 时，其振动频率分别为fBi、 fBo和fB。
/■ 7 「 ， a1
// ,■ =一| / + —ccwa
项 ^ ￡>
仰
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1 _——COS (2 I X——
" j 60
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仰
式中d为滚动体直径，D轴承节径，a接触角。 (4)频带报警设置
在故障信号中，周期信号主要是由机器的自由振动、受迫振动和参变振动
等产生的。对于周期信号，数学上早已证明，利用傅氏级数原理，可将周期函
数y (t)分解成傅氏级数，即将信号分解成许多谐波分量。
y ") =a。 / 2 + q cos(w/i丄)+ C2 cos(2w/i2) +.......+ cos(2w/-
其中:
二 Va"
—772'
式中
n=l, 2," 1J—772^、 , 1 n=l, 2,......
按上述公式计算分解得到的结果以频率为横坐标，以振幅或相位为纵坐标 来表征频率域的振动特性。
频带报警需定义一个频段内的频率幅值总和作为报警值，当希望某一频段 中频率能量高于报警值时报警。
本监测方法提出了酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的频带报警方法，该在线监测方 法简便快捷，可实现对拉矫机零部件的运行状态趋势管理。
设备异常或故障的严重性等级由报警限确定， 一般分为正常、警告(引起注
意)、报警和危险四个级别。对机器总振动值，报警限的设定可参照IS02372和 IS010816标准；而对频带报警则相对复杂。
为了解决这个问题，状态监测领域著名的美国北卡州Technical Associates of Charlotte公司James E. Berry先生建立了" The Proven Method"(证实"i正 实的方法"设备类型及其报警等级的方法)，它指导对一般过程和辅助设备的振动 测量数据设置监测频带和速度谱频带能量报警。
通常情况下频带报警值的设定是一个经验值， 一般是总振动参考标准的百分 比数，设置的任何报警只作为一种初始参考设定。
本监测方法设计了针对拉矫机齿轮箱运行状态的频带报警方法，通过在线监测 拉矫机的振动信号，实现拉矫机运行状态的报警。
在实际监测过程中，当一个轴承失效频率可能增加了几倍时，其总振值却几乎 没有任何变化，表明全频振动值报警可能存在漏报现象。频带报警是将整个频率范 围分为几个有意义的频带进行监测和跟踪，实际上是对频谱的简化，将数百个数据 简化成几个数据，并每个频带数据设置报警值，当报警产生时便能判断设备状态异 常的性质，为精密诊断分析指导方向。
拉矫机齿轮箱运行状态监测可设置三个主要频带
1 XfBo-4XfBo:监测滚动轴承的零部件运行状态 1X-3X:监测传动系统的安装特性 1XGMF-3. 25XGMF:监测传动系统齿轮的啮合状态 OVERALL:监测全频带振动能量； 其中1XfBo表示滚动轴承外圈频率，4XfBo表不滚动轴承外圈频率的4倍； 监测滚动轴承的零部件运行状态；1X表示转速频率，2X和3X分别表示转速的2倍频、3倍频；1XGMF表示齿轮的啮和频率，3XGMF齿轮啮合频率的3倍。OVERALL 表示总振动值。
特定频带实际报警值的设置在采集了 6次对应频带振动值后用统计法生成。 根据数理统计SPC原理，当采集次数K》6时，可求频带振动能量d的平 均值Ave (d)和方差o (d)，即可设定d的注意值Alarm (d)。 一级报警值Alarml(d)=1.5X (Ave (d)十2Xo (d)) 二级报警值Alarm2(d) =2.5X (Ave (d) +2X。
(d))
其中^w(J W力 式中k为选定频带振动值
在线采集的次数。
本监测方法算法简单、只需将设备的振动波形进行信号重构，计算特定频 带内的振动幅值即可实现对拉矫机齿轮箱运行状态的评价。
拉矫机齿轮箱运行状态报警采用二级报警方式，当监测参数d小于一级报 警值Alarml (d)
权利要求
1、一种冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的在线监测方法，所述齿轮箱各轴承座上设有振动传感器，其特征在于所述方法包括如下步骤步骤一、所述齿轮箱运行时，采集齿轮箱各轴承座实时振动信号，读取设于齿轮箱轴承座上振动传感器的振动数值d；步骤二、根据所述齿轮箱系统的安装特性即转速频率X、齿轮箱内滚动轴承的运行状态即滚动轴承外圈频率fBo和传动系统齿轮的啮合状态即齿轮啮合频率GMF，设置所述齿轮箱运行状态监测的频带范围；步骡三、在采集若干次齿轮箱各轴承座实时振动信号后，根据读取的振动传感器数值d，按数理统计原理计算得出频带振动能量的平均值Ave(d)和方差值σ(d)；步骤四、根据所设定的齿轮箱运行状态监测频带范围及频带振动能量的平均值和方差值，计算选定频带内实时振动的幅值Alarm(d)；步骤五、根据在设定频带内的实时振动幅值Alarm(d)，按公式Alarm1(d)＝1.5×(Ave(d)+2×σ(d))得出振动一级报警值，按公式Alarm2(d)＝2.5×(Ave(d)+2×σ(d))得出二级报警值；步骤六、将振动数值d与报警值Alarm1(d)和Alarm2(d)进行比较，当d小于Alarm1(d)时，齿轮箱运行正常，当Alarm1(d)<d<Alarm2(d)时，需对齿轮箱运行引起注意，当d>Alarm2(d)时，齿轮箱运行异常，则监测系统报警并作状态显示。
2、 根据权利要求1所述的冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的在线监测方 法，其特征在于；所述的振动传感器有若干个，它们分别安装在齿轮传动系统 每个轴承上并以径向设定，以及至少一传动轴上并以轴向设定。
全文摘要
本发明公开了一种冷轧酸洗拉矫机齿轮箱运行状态的在线监测方法，通过设置于齿轮箱各轴承座上的振动传感器，采集读取振动数值d；并根据所述齿轮箱系统的安装特性即转速频率X、齿轮箱内滚动轴承的外圈频率fBo和传动系统齿轮的齿轮啮合频率GMF，设置齿轮箱运行状态监测的频带范围；在采集若干次齿轮箱各轴承座实时振动信号后，根据读取的振动传感器数值d，按数理统计原理得出频带振动能量的平均值Ave(d)和方差值σ(d)；同时计算选定频带内实时振动的幅值Alarm(d)；按公式计算出振动一级报警值和二级报警值；将振动数值d与报警值比较，即可动态监测齿轮箱的运行状态，避免因拉矫机零部件损坏导致的设备停机，支撑酸轧生产线的正常生产。
文档编号G05B19/048GK101452276SQ20071017177
公开日2009年6月10日 申请日期2007年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者沈一平, 蔡正国 申请人:上海宝钢工业检测公司