模块化轧机健康状态监测系统

技术领域

本发明属于冶金机械设备监测技术领域，涉及模块化轧机健康状态监测系统。

背景技术

轧机是一种用于制造和加工金属材料的机器设备，通常用于将大块的金属材料压扁、加热、折叠或切削成所需的形状和尺寸。不同类型的轧机有不同的设计和操作原理，它们可以用来生产各种金属制品，如钢板、钢管、钢带、铝型材等。轧机通常在重负载、强冲击、变转速、高温环境下长期持续运行，承受较大的载荷，导致轧辊轴承极易损坏，目前大多利用定期检修的方法检查故障，如果间隔时间较短，不仅浪费人力物力，影响产能，更因设备过度维修影响使用寿命；如间隔时间较长，极易因检修不及时，导致设备性能恶化，甚至发生安全事故，因此对轧机健康状态监测非常必要。

轧机健康状态监测是指对轧机的各项性能参数进行实时监测和分析，以评估设备的运行情况。通过使用各种传感器和数据采集系统，可以将从轧机各个部件中收集到的数据进行汇总和分析，以识别设备可能出现的故障和劣化过程，并发出预警信号。轧机健康状态监测可以有效地提高设备的可靠性和生产效率，减少维修成本和停机时间，延长设备的使用寿命。

现有的轧机状态监测技术中，采用的传感器及检测的对应参数只能检测轧机当前是否发生故障，而无法提前发现轧机故障迹象，不能及时针对故障进行维护，导致生产中断和紧急维修，产生不必要的停机时间和维护费用，无法最大程度地提高生产效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模块化轧机健康状态监测系统，提出一种能够表征轧机故障的状态参数，并通过对该参数的采集来监测轧辊轴承的健康状态，并能够提前发现轧机故障迹象，从而及时进行维护，避免因故障导致生产中断影响生产效率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

模块化轧机健康状态监测系统，包括由工作机座、轧辊和轴承组成的轧机本体，所述轴承套设在轧辊两端；还包括称重模块和监测模块；所述称重模块包括底板，底板顶部固定连接压力传感器，所述压力传感器电连接控制器；所述监测模块包括分别与控制器电连接的旋变传感器、振动传感器和超声成像仪；所述控制器电连接有显示模块；

压力传感器远离底板一端固定连接有收集槽，底板侧壁固定连接有连接杆，连接杆与工作机座底部可拆卸连接；所述压力传感器用来对收集槽收集的碎屑重力进行检测；

所述旋变传感器和振动传感器均固定连接在轧辊内部，所述旋变传感器用来对轧辊的旋转轨迹进行检测，所述振动传感器用来对轴承的振动进行检测；

所述超声成像仪电连接有导电环和电刷，导电环的内壁设有多个金属接触点，所述导电环套设在轧辊两端外侧壁，所述导电环与轧辊滑动连接，所述电刷固定在轴承内侧壁；所述超声成像仪用来检测轧辊表面的图像。

进一步，控制器的控制逻辑包括：

通过旋变传感器监测轧辊的旋转轨迹，同时通过振动传感器监测轴承的振动信号；

若旋变传感器检测到旋转轨迹不符合初始预设值，则通过压力传感器监测收集槽中的碎屑重力，并通过超声成像仪采集轧辊表面图像；当碎屑重力大于预设重力值，或轧辊表面图像经图像对比后存在裂隙时，通过显示模块进行显示；

若振动传感器检测到振动信号呈现出不同的频率，则采用振动分析法进行剩余使用寿命预测，并通过显示模块进行显示。

进一步，所述轧辊包括间隙配合的工作辊和支撑辊，所述监测模块还包括与控制器信号连接的应变片，所述应变片分别固定连接在工作辊外侧壁和支撑辊外侧壁。

本方案能够检测轧辊使用过程中的循环接触应力，从而配合现有的疲劳损伤积累模型分析计算轧辊的疲劳损伤度，例如，通过斯通轧制压力公式对工作辊和支撑辊之间的压力进行计算及验证。

进一步，还包括报警模块，报警模块包括蜂鸣器和指示灯，蜂鸣器和指示灯均与控制器信号连接，蜂鸣器和指示灯均嵌设在工作机座底部。

当控制器检测到某些异常情况或者需要进行检测时，发送信号给蜂鸣器和指示灯，从而控制蜂鸣器发出声音，指示灯显示对应颜色，通过色彩和声音双重提醒效果，有效地协助操作人员分辨和识别不同的报警状态，在嘈杂的工作环境中也能够保证警示效果的可靠性，及时引起技术工程师或维修人员的注意，避免轧机本体损坏或操作安全事故的发生。

进一步，工作机座外侧壁固定连接有温度传感器，所述温度传感器与控制器信号连接，所述温度传感器用来对温度异常或者温度变化速度异常进行预警。

本方案在工作机座上安装温度传感器，并通过控制器实时监测工作机座的温度，实时监测工作机座的温度变化情况，能够据此判断温度是否正常，以及温度变化速度是否正常，反应机器运行状态的稳定性和健康程度，从而及时进行维护调整并有效地保护设备和人员安全。

进一步，工作机座两侧设有散热除尘模块，散热除尘模块包括安装架，安装架上固定连接有电机，电机输出轴同轴固定连接有扇叶，所述电机与控制器电连接；当温度传感器检测到工作机座温度上升到预设温度时，控制电机带动扇叶的转动；当温度传感器检测到工作机座温度上升到异常温度阈值时，提高电机转速。

本方案控制电机带动扇叶的转动，对工作机座进行散热，并在工作机座温度变化速度异常时提高电机转速，进行短时间的全功率乃至超负荷运行，提升散热效果达到紧急降温的目的，避免工作机座温度过高导致引起安全事故，同时也可以对工作机座上吸附的灰尘进行吹除。

进一步，电机外可拆卸连接有防护壳。

电机外可拆卸连接的防护壳，可以方便地进行检修和维护工作；同时也能够保护电机不受到外部环境因素的损害，延长使用寿命；防护壳还可以避免不必要的伤害事故，确保操作人员人身安全。

本发明的有益效果在于：

本方案通过提出了新的表征参数来更准确、全面的表征轧机的故障情况，利用轧辊的旋转轨迹来表征轧辊是否发生磨损，利用轧辊配合磨损产生的碎屑对压力传感器的压力来表征轧辊的磨损程度，与通过轴承振动信号预测剩余寿命的技术配合，实现对轧机的轧辊和轴承的故障情况进行全方位的实时监测，提高了故障预测的全面性，减少了提前预测故障的误判几率，使提前发现故障的结果更加准确可靠，从而实现现有技术无法做到的提前发现故障迹象的应用，从而更加及时的进行维护，避免生产中断和紧急维修导致不必要的停机时间和维护费用，防止影响生产效率，不仅提高了维护效率，而且降低了维护成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明模块化轧机健康状态监测系统实施例的电路原理框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，为模块化轧机健康状态监测系统，包括轧机本体、称重模块和监测模块，轧机本体由工作机座、轧辊和轴承组成，轴承套设在轧辊两端，称重模块位于工作机座下方，监测模块位于轧辊处，轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。

称重模块包括底板，底板顶部固定连接压力传感器，本实施例中压力传感器型号选用：DS18B20，压力传感器远离底板一端固定连接有收集槽，底板侧壁固定连接有连接杆，连接杆与工作机座底部可拆卸连接，压力传感器信号连接有控制器，本实施例中控制器型号选用：可编程控制器NX7-48ADR，控制器信号连接有显示模块。

监测模块包括旋变传感器、振动传感器和超声成像仪，本实施例中旋变传感器型号选用：hid-58-k-5000-24h-5-5m，本实施例中振动传感器型号选用：BL-2030，本实施例中超声成像仪型号选用：LE7800。

旋变传感器和振动传感器均固定连接在轧辊内部，旋变传感器和振动传感器均与控制器信号连接。轧辊两端外侧壁均套设有导电环，导电环和轧辊形成滚珠丝杠结构，轴承内侧壁固定连接有电刷，导电环和电刷组成导电滑环结构，导电环和电刷均与超声成像仪电连接，超声成像仪与控制器信号连接。使用时，称重模块中的收集槽对轧机本体工作时产生的碎屑进行收集，碎屑的重力对收集槽产生压力，压力传感器对压力进行实时监测，并将实时监测数据传输至控制器，当压力值达到控制器中的预设值时，说明轧机本体工作磨损严重，控制器将信息反馈到显示模块，以提醒操作人员或者维护人员。

显示模块包括远程PC显示器和系统服务器，系统服务器与PC显示器和控制器均采用NB-LOT物联网技术进行数据的连接传输。在显示模块中，系统服务器可以通过NB-LOT技术与PC显示器和控制器相连，实现数据的远程传输和共享。NB-LOT技术具有宽广的覆盖范围和较高的穿透能力，可以支持数据测量、监视和遥控等应用类别，可以连接大规模的话机数、带宽占有率也低。这使得在控制器和显示器之间建立稳定可靠的通讯连接成为可能；其次，基于NB-LOT构建的显示模块能够实现远程监测和控制，无需使用传统的数据链路或者局域网连接方式，省去了复杂的布线和设备配置工作，同时也优化了通信效率和稳定性；最后，采用NB-LOT技术的显示模块还具有低功耗和低成本的特点，可以为用户节省能源、降低成本，并且在实时数据监测和故障排除等方面提供了更好的支持，从而强化了设备运行管理的可靠性和精细化水平。

轧辊旋转时，导电环便可以在轧辊上滑动，并与电刷表面不断摩擦，通过导电滑环结构中的金属接触点，使超声成像仪通电并对轧辊进行拍摄，超声成像仪产生的图像通过控制器传输至显示模块，操作人员或者维护人员通过显示模块中的图像对轧辊的健康状态进行监测，避免轧辊出现裂缝等现象。通过实时监测轧辊的健康状态、检查轧辊表面是否有裂纹、脱落等情况，能够及时发现轧辊的异常情况，并提前预警；可以有效避免因轧辊故障引起的品质事故和无效成本等问题，保证生产质量稳定；对轧辊及时进行监测与评估，能够有效延长轧辊使用寿命，同时也降低了维护成本和更换频率；借助图像监测，可以灵活地调整轧辊的使用频率和维护周期，并进行更精准的检修。这样，在保证轧辊使用效率的同时，还能够有效避免轧辊使用不当、或处于不安全状态的风险。

同时，监测模块中的旋变传感器对轧辊的旋转轨迹进行实时监测，并将实时监测数据传输至控制器，当轧辊完整时，旋变传感器监测到旋转轨迹的数据为初始预设值；当轧辊在受到循环应力的作用时会受到磨损，因此旋变传感器监测到旋转轨迹的数据会产生改变。

同时，振动传感器对轴承的振动进行实时监测，并将实时监测数据传输至控制器，控制器将数据传输至显示模块。当轧辊轴承开始运转时，轴承正常运行阶段处于健康状况运行，性能良好，振动信号呈现平稳性；当轴承运行一段时间后，由于润滑不良、腐蚀等原因造成轴承发生一定的损伤，随着长期超负荷运行及维护不当，其性能开始逐渐退化，振动信号呈现出不同的频率，并且蕴含丰富的退化特征。如何从原始数据中提取有效信息，进行特征识别，是状态监测的核心内容，接下来针对不同的故障状态下振动数据的形式进行分析。

控制器的控制逻辑包括：

通过旋变传感器监测轧辊的旋转轨迹，同时通过振动传感器监测轴承的振动信号；

若旋变传感器检测到旋转轨迹不符合初始预设值，则通过压力传感器监测收集槽中的碎屑重力，并通过超声成像仪采集轧辊表面图像；当碎屑重力大于预设重力值，或轧辊表面图像经图像对比后存在裂隙时，通过显示模块进行显示；

若振动传感器检测到振动信号呈现出不同的频率，则采用振动分析法进行剩余使用寿命预测，并通过显示模块进行显示。

其中，故障特征频率计算公式如下：

轴承内圈故障频率：

轴承外圈故障频率：

轴承滚动体故障频率：

轴承保持架故障频率：

其中，公式中的D——轴承节径(mm)；d——滚动体直径(mm)；α——接触角(°)；f

本发明采用振动分析法作为轧辊轴承的状态监测方法，获取数字信号进行剩余使用寿命预测。全面分析振动信号中包含的不同频率的轴承特征信息，把握轴承的状态指标，有助于剩余使用寿命预测。

在另一实施例中，系统还包括报警模块，报警模块包括蜂鸣器和指示灯，蜂鸣器和指示灯均与控制器信号连接，蜂鸣器和指示灯均嵌设在工作机座底部。当控制器接收到的数据不在预设数据范围值之内时，即控制器检测到某些异常情况或者需要进行检测时，便会发送信号给蜂鸣器和指示灯，从而蜂鸣器发出声音，指示灯显示对应颜色，比如黄色表示注意，红色表示危险等，提醒警示操作人员或者维护人员。

使用蜂鸣器和指示灯报警模块，可以在轧机本体出现故障或者异常情况时及时引起技术工程师或维修人员的注意，并采取相应的措施，避免轧机本体损坏或操作安全事故的发生；蜂鸣器和指示灯都具有色彩和声音双重提醒效果，可以有效地协助操作人员分辨和识别不同的报警状态，并且在嘈杂的工作环境中也能够保证警示效果的可靠性。

作为另一种实施方式，与上述实施例不同之处在于：轧辊包括工作辊和支撑辊，工作辊和支撑辊间隙配合，工作辊和支撑辊外侧壁均固定连接有应变片，应变片与控制器信号连接。

具体实施过程如下：工作辊和支撑辊工作运行时，应变片通过监测工作辊和支撑辊之间施加的压力，并将这种物理量转换为电信号通过控制器转化为数字信号输出，以供后续数据处理和分析。

运用驱动能疲劳损伤累积模型分析计算轧辊接触疲劳损伤的前提是可通过计算得到轧辊接触区域任意点的疲劳损伤度。而要计算轧辊接触区域任意点的疲劳损伤，首先，需要得到轧辊截面内任意点的接触应力；其次，需要四辊辊系工作辊与支撑辊在多级加载情况下，损伤等效法则以及剩余寿命模型作为前提条件；最后，利用损伤模型进行多级加载情况下损伤度的计算。最终可得到轧机本体中支撑辊与工作辊接触区域任意点的损伤度。

本发明中运用斯通模型进行对工作辊和支撑辊之间的压力进行计算及验证，具体公式为：

式中：

在另一实施例中，工作机座外侧壁固定连接有温度传感器，本实施例中温度传感器型号选用：JTW-ZCD-G3N，温度传感器与控制器信号连接。轧机本体进行工作时，温度传感器对工作机座的实时温度进行监测，并将实时监测数据传输至控制器，控制器通过报警模块提醒操作人员或者维护人员，避免温度过高或者温度变化异常快，导致机器发生故障或者损坏，甚至对操作人员造成安全隐患。

此外，工作机座两侧设有散热模块，散热模块包括安装架，安装架上固定连接有电机，电机输出轴同轴固定连接有扇叶。通过电机带动扇叶的转动，能够增加工作机座外部空气流通，减少外壳外部温度的升高，从而对工作机座起到散热的效果，同时也可以对工作机座上吸附的灰尘进行吹除。电机外可拆卸连接有防护壳，可以方便地进行检修和维护工作；同时也能够保护电机不受到外部环境因素的损害，延长使用寿命；防护壳还可以避免不必要的伤害事故，确保操作人员人身安全。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。