1、 钢丝绳电动葫芦振动检测和评价 河南省地方标准编制说明 1 编制的目的和意义 电动葫芦是起重机械中最常用的轻小型起重设备，其机构简单、安装方便，工作效率高被大量广泛应用。据不完全统计，截至 2015 年底，全国在用的电动葫芦有 2000 多万台。电动葫芦虽被国家定义为轻小型起重设备，但是目前已有的起重量可达 100 吨。如此大批量、大吨位的起重设备若在使用的过程中发生故障，不仅影响工作效率，同时也存在着很大的安全隐患，为了保证使用过程中财产及生命安全，对其故障进行检测很有必要。 导致电动葫芦事故发生的原因有很多，由于其 80%的零部件都封存在电动葫芦外壳中，而年检时仅凭宏观检测不能有效的发现电
2、动葫芦内部构件运行情况，不能发现隐形故障，更无法对其运行状态进行有效评价；这也使得年检过程失去了部分安全检验的意义，对使用单位日后的安全生产也埋下隐患；于是有必要研究一种方法来评价电动葫芦内部是否有故障或隐患存在。 设备运行状态评价与故障诊断技术经过 30 多年的研究和发展，已经较为成熟，并进入到了实用阶段。它对保证设备安全、稳定、优质经济运行 都 起到了非常重要的积极作用。我国政府十分重视设备故障诊断和状态检测技术的推广应用，相继出台了一系 列的法规制度来推动这项工作的实施。尤其是于 2002 年 11 月 1 日开始实施的“安全生产法”，更加清楚地表明国家对企业设备运行的安全性问题给予了高
3、度的重视。我院积极响应国家政策，长期以来专注于安全检测技术研究，并联合郑州大学振动工程研究所开展机电类特种设备状态评价和故障诊断技术的研究和产品开发。针对检测电动葫芦内部时不方便、情况复杂的现状，提出基于振动信号检测电动葫芦内部缺陷的技术研究，并对电动葫芦内部是否有故障进行评价，对于看似“健康”的电动葫芦发现其隐患，建立对应的安全评价系统。 因此，编制 钢丝绳电动葫芦振 动检测及结果评定方法地方 标准，对于满足 钢丝绳电动葫芦 使用的实际需要，提过我国起重机行业的检测技术水平，保障 电动葫芦使用 安全等方面具有重要意义。 2 任务来源及编制原则和依据 2.1 该 标准 来源 于 河南省质量技术
4、监督局标准化处 。 2.2 该标准是在吸收国内外先进技术的基础上，根据国内课题研究成果 、技术试验研究结果和使用经验，广泛征求国内同行及使用单位的意见，充分考虑我国 钢丝绳电动葫芦 的行业现状和未来 的 发展趋势，作为制定本标准的技术依据。制定标准时既考虑实用性和可操作性，也力求使技术要求与国外先进技术相近，既要符合国内外行业发展 需要，也要符合国情。 2.3 标准格式符合 GB/T1.1-2009 标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写规则。 2.4 与国家法规、法律和有关标准相一致。 2.5 统一了标准化对象的名词、术语、规格代号及技术要求等。 3 本标准 编制过程 3.1 组建标
5、准制定工作组 从 2016 年 6 月 ，随着国家桥架类 及 轻小型起重机械质量监督检验中心的建设，由河南省特种设备安全 检 测研究院牵头，成立了院内部的标准制定小组， 该工作小组由 院 总工程师 刘爱国 担任组长，主要成员有 雷庆秋、尹献德、李娟娟、 王允、杜鑫、 王国防、熊亚飞、贾森、赵九峰 等。 郑州大学成立了 董新旻 研 究团队，主要成员有 郝旺身、张炎磊 等。 河南省 起重机械标准化技术委员会在起重机械行业中征集了参加起草单位，组建了由河南省特种设备安全 检 测研究院 、 郑州大学、河南新科起重机股份有限公司 等单位组成的起草工作组 ， 并对该标准开展调研和起草工作 。 3.2 振动
6、检测 仪器的选用 振动检测的设备有很多种 ， 工作组多方调查 资料并 向 郑州大学机械振动研究所的专家请教，确定了振动检测设备的选用，该设备 应 具备以下的功能 ： 一 般采用由传感器、滤波放大器、指示器和电源装置等组成的测量仪表，允许采用能取得同样结果的其他仪器。测量仪器应具有测量振动宽频 带均方根的能力，其在直读时能指示或记录振动速度的均方根值。根据振动准则可以要求进行位移、速度、加速度三者结合在一起的测量。测量仪器的通频响应范围至少为 10Hz-10000Hz。测量仪器尽可能采用电池为电源装置 。 测量仪器需定期校准，保证可靠的测量结果 。 经调研论证之后， 本实验采用的振动信号 测试
7、采集仪 为 由郑州恩普特科技股份有限公司出品的 PDES 型 设备状态检测与安全评价系统。该振动测试仪器 方便携带 ，可对工厂重要设备进行 振动 数据采集、数据分析。综合评价、故障检测等、适用于设备的离线巡检检测及 智能 分析，该产品 具有 2 个传感器探头，采用磁铁吸附的接触式振动数据采集，可现场获得数据的 加速度峰值、速度有效值（均方根值 或称振动烈度 ）、位移峰 -峰值或实时频谱图 ；也可将仪器带回实验室 对实测 数据导出，在相关软件上进行更为详细深入的 振动 数据分析。 PDES 设备状态检测与安全评价系统 技术性能符合我国国家标准 GB13823.3 中正弦激励法振动标准的要求 。
8、该测试系统满足上述仪器选用功能。 图 1 为实验用振动测试仪。 图 1.振动测试仪 3.3 钢丝绳电动葫芦振动检测过程 情况调查与研究 3.3.1 电动葫芦旋转部件主要故障 形式 分析 振动检测最主要是 针对电动 葫芦的旋转部件， 即 电动葫芦的电动机所驱动的减速系统进行振动检测，根据振动参数 、波形图与频谱图 确定出该葫芦齿轮箱的故障情况。在电动葫芦的减速箱中主要存在以下故障情况 ，见表 1： 表 1：电动葫芦齿轮箱主要故障形式 电动葫芦齿轮箱部件名称 故障形式 齿轮 局部断齿；磨损；点蚀；胶合；齿根疲劳裂纹 齿轮轮体 轮缘、腹板等损伤；变形；弹簧、螺杆折断： 齿圈裂纹；变形损伤 箱体 变形
9、；刚度不够：密封不良；严重损伤，变形 轴 轴不对中；轴弯曲；轴不平衡；轴裂纹 轴承 内环、外环、滚动体的点蚀，疲劳剥落； 保持架损 坏；烧伤；滚珠脱落 3.4 电动葫芦齿轮箱故障诊断方法的研究 由于电动葫芦减速器的特殊性，齿轮 、 轴承 、 轴之间的减速关系， 工作组分析了齿轮和轴承的工作机理，并做了大量的数学建模工作，同时也针对齿轮和轴承的故障给出了比较直观的故障诊断方法，以及故障诊断方法的研究内容。以下就齿轮和轴承最常用的故障诊断方法做分析。 3.4.1 齿轮的故障诊断方法 齿轮的建议诊断主要是通过振动与噪声分析法进行的 ,包括声音诊断法 ,振动诊断法以及冲击脉冲法等。进行齿轮故障简易诊断
10、的目的，是迅速判断齿轮是否处于正常的工作状态，对于异常工作状态的齿轮 再进行精密的诊断分析或是采取其他措施。当然，在许多情况下，根据对振平的分析，也可查出一些简单的故障。本节主要介绍 最 常用参数判断法。 判定参数法是利用齿轮振动的速度信号或是加速度信号来计算出某一特征向量，根据其大小来判定齿轮所处工作状态的方法。衡量设备振动值最直接的方法是计算信号的均方根值，他能反映出设备的振动水平，类似的有量纲参数还有均方根幅值，斜度及峭度等。不过这些有量纲参数值虽然会随着故障的发展而上升，但是也极易受工作条件、比如转速、载荷等的影响，有事很难加以区分，有时为了便于诊断，常用量纲为一的参数指 标作为诊断指
11、标，他们的特点是对故障信息敏感；而对信号的绝对大小和频率变化不敏感，这些量纲为一的参数有：波形指标、峰值指标、脉冲指标、裕度指标及峭度指标，这些指标适应于不同的情况，没有绝对优劣之分。表 2 为一个用量纲为一的参数诊断齿轮故障的实例，新齿轮经过了疲劳剥落故障，振动信号有明显的冲击脉冲，除波形参数外，各参数指标均有明显上升。 表 2. 齿轮振动信号的量纲为一的参数诊断实例 齿轮类型 裕度指标 峭度指标 脉冲指标 峰值指标 波形参数 新齿轮 4.143 2.659 3.536 2.876 1.233 坏齿轮 7.246 4.335 6.122 4.797 1.276 另外还有一种对齿轮早起故障有效
12、的检测是识别方法是基于时序建模和波形参数结合的综合检测方法。在时序 RA(n)模型中， 1 n 可作为表征齿轮状态运行的一组参数，当齿轮状态发生变化时，这组参数的个数和数值将随之变化，此时，如果还用原来的参数计算残差，则 2a 将会增加，而ia 将不再是白噪声，因此检验 ia 是否是白噪声可以用来检测齿轮的状态，但是计算工作量要比计算 2a 大一些，所以实际工作中采用前者，用归一化的残差平方和 NRSS 参数来监测齿轮的总的状态，归一化残差平方和 NRSS由下式计算： 22axNRSS 式中： 2x 振动信号的方差 首先从正常齿轮振动信号采样得到 ix ，并由此计算出峭度指标 0vK 、残差指
13、标 20a 、 0NRSS 及 1 n 并暂存。 实际监测时，将采样信号用原模型参数计算出 vK 、 2a 和 NRSS ，将他们和正常状态下的 0vK 、 20a 和 0NRSS 相比，在多次检测中若三个参数都超过阈值达 50%，则判定齿轮有故障。 某实验齿轮的参数为： m=3mm，齿数 z=50，齿宽 b=20mm，表 3 为对正常状态下的振动信号建立的 AR(17)模型，并计算出监测参数值，以及在该齿轮发生严重点蚀时所计算出的检测参数值，可以看出，上述方法是有效可行的。 表 3.齿轮正常与点蚀状态下的参数值 正常状态 严重点蚀 增加倍数 参数 0vK 20a NRSS vK 2a NRS
14、S 0vvKK 220aa 0/NRSS NRSS 计算值 2.04 13.08 0.263 8.09 39.84 1.442 3.96 3.05 5.48 3.4.2 滚动轴承的故 障诊断法 在利用振动对滚动轴承进行简易诊断的过程中，通常是将测得的振动值（峰值、有效值等）与预先给定的某种判定标准进行比较，根据实测的振值是否超出了标准给出的界限来判断轴承是否出了故障，以决定是否需要进一度进行精密诊断。因此，判定标准就显得十分重要。 用于滚动轴承简易诊断的判定标准就显得十分重要。 （ 1）振幅值诊断法 这里所说的振幅值是指峰值 pX 、均值 X （对于简谐振动为半个周期内的平均值，对于轴承冲击振
15、 动为经绝对值处理后的平均值）以及均方根值（有效值） RMSX 。这是一种最简单、最常用的诊断方法，他是通过将实测的振幅与判定标准中给定的只进行比较来诊断的。峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适用于类似表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外，对于转速较低的情况（如 300r/min 以下）也常采用峰值进行诊断。均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测值较峰值稳定，但一般用于转速教高的情况（如 300r/min 以上）。均方根值是对时间平均的，因而它适用于磨损之 类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。 （ 2）波形因素诊断法 波性因素定义为峰值与均值之比 PXX值过大时，表明滚动
16、轴承可能有点蚀，而 PXX过小时，则可能发生了磨损 （ 3）波峰因素诊断法 波形因素定义为峰值与均方根值之比 P RMSXX ,该值用于滚动轴承建议诊断的有点在于他不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也不受传感器，放大器等一、二次仪表灵敏度变化的影响，该值适用于点蚀类故障的诊断 ，通过对 P RMSXX 值随时间变化趋势的检测，可以有效的对滚动轴承故障进行早期预报，并能反映故障的变化发展趋势，当滚动轴承无故障时， P RMSXX 为较小的一般指，一旦轴承出现了损伤，则会产生冲击信号，振动峰值明显增大，但此时均方根值尚无明显增大，故 P RMSXX增大；当故障不断扩展，峰值逐渐到达极限后，均方根值开
17、始增大， P RMSXX逐步减小，直到恢复到无故 障时的大小。 （ 4）概率密度诊断法峭度， 定义为归一化的 4 阶中心矩，即 4x x p x dx 式中： x -瞬时振幅 x -振动幅度 ()px -概率密度 -标准差 振幅满足正态分布规律的无故障轴 承，其峭度约为 3 着故障的出现和发展，峭度值具有与波峰因数类似的变化趋势，此方法的有点在于与轴承的转速、尺寸和载荷无关，主要适用于点蚀类故障的诊断。 （ 5）脉冲冲击法（ SPM 法） 脉冲冲击法的院里是，滚动轴承运行中有缺陷（如剥落、裂纹、磨损和混入杂物）时就会产生冲击，引起脉冲性振动，由于阻尼的作用，脉冲性振动是一种衰减性振动，因而冲击
18、脉冲的强弱反映了故障的程度。 当滚动轴承无损或是有及微小的损伤时，脉冲值很小，随着故障的发展，脉冲值逐渐增大。当冲击能量达到初始值的 1000 倍时，就认为该轴承的寿命已经 结束，当轴 承的工作表面出现损伤，所产生的实际脉冲值用svdB 表示，它与初始脉冲值 idB 只差成为标准冲击能量 NdB 。 N sv idB dB dB 根据 NdB 值可以将轴承的工作状态分为三个区域进行诊断。 0 20NdB dB 绿区，轴承工作状态良好，为正常状态； 2 0 3 5Nd B d B d B 黄区，轴承有轻微损伤，警告状态； 3 5 6 0Nd B d B d B 红区，轴承有严重损伤，为危险工作状
19、态 。 冲击脉冲法在现场使用之中往往由于经验不足，对设备工况条件开率步骤造成的诊断损失。因此采用此方法进行诊断是应注意以下几方面问题。 传感器的安装对于固定式安装的 SPM 传感器，经常会由于机器本身的结构限制，无法完全达到 SPM 传感器的安装标准，造成信号的衰减。 设备安装条件对滚动轴承状态有明显影响的设备安装因素主要有：不对中和轴弯曲。这两种安装状态都会 使轴承产生不均匀载荷，对轴承油膜的行程造成冲击值加大，行程无报警，因此，对此类轴承，在加强监护的同时，对其报警 限值 要适当 放宽 。 对辅助传动轴承的考虑对于辅助传动轴承，由于经常处于从动轻载荷状况，因此冲击值比其正常载荷下获得的标准值小得多，但是同时由于在容易受其它轴承或齿轮冲击值的影响，使冲击值快速提高，因此对此类轴承放宽其下限，但上限应基本不变。 3.5 电动葫芦振动测试数据 采集 在 2017 年的 12 月 25 日，工作组 成员 在河南省新乡市长垣 县河南新科起重有限公司 进行了 数据采集工作。在该次的采集工作中 共 采集 12 台电动葫芦 数据 。 2018 年 5 月 4 日，工作组 成员 在河南省商丘四海能源科技有限公司 进行采集工作，在该次的采集中，共采集 10 台电动葫芦数据。 图 2 是现场采集实验数据的照片。 图 2. 现场采集照片
