選煤廠浮選機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

郭 威

(山西西山煤電股份有限公司 馬蘭礦選煤廠，山西 太原 030205)

0 引言

浮選過程是將破碎的礦石加水形成礦漿，添加藥劑產(chǎn)生泡沫進(jìn)行浮選，進(jìn)而產(chǎn)生所需的精礦[1,2]。目前浮選生產(chǎn)過程基本實現(xiàn)自動化，但浮選機(jī)的故障監(jiān)測技術(shù)相對落后，設(shè)備工況參數(shù)監(jiān)測不到位，發(fā)生故障后，工作人員對設(shè)備的故障類型、故障原因了解不充分，導(dǎo)致檢修效率低，影響浮選生產(chǎn)效率[3，4]。本文通過對選煤廠浮選機(jī)常見故障進(jìn)行分析，提出故障監(jiān)測方法，設(shè)計了在線故障監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對浮選機(jī)工況參數(shù)的實時監(jiān)測，保證設(shè)備發(fā)生故障后能得到及時的檢修處理，提高浮選生產(chǎn)效率[5]。

1 浮選機(jī)故障分析

浮選機(jī)的故障主要可分為電機(jī)故障與軸承故障，其中軸承故障最復(fù)雜，監(jiān)測難度較大。

1.1 電機(jī)故障

電機(jī)故障按照故障表現(xiàn)形式可分為過熱故障、電流故障與絕緣故障等。電機(jī)在長期運行過程中，由于設(shè)備發(fā)生摩擦磨損導(dǎo)致零部件出現(xiàn)松動失去平衡，零部件產(chǎn)生激烈振動，引發(fā)局部過熱的現(xiàn)象。電流故障主要由于電機(jī)負(fù)荷升高，電流增大，電機(jī)實際功率超出額定功率，導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作。絕緣故障主要由于電機(jī)絕緣部件在長期使用過程中受到機(jī)械、熱、電等混合應(yīng)力的作用，材料的機(jī)械性能與電氣性能受到破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)電壓擊穿、線路受潮等故障。

1.2 軸承故障

軸承失效的原因多種多樣，載荷分布不均、安裝位置存在偏差、潤滑不到位、遭到異物入侵等都會導(dǎo)致軸承發(fā)生不同程度的損傷，即使軸承安裝準(zhǔn)確、潤滑良好、使用得當(dāng)，但是在長期工作過程中同樣會受到摩擦磨損，導(dǎo)致軸承成為浮選機(jī)零部件的薄弱環(huán)節(jié)，也是發(fā)生故障概率最大的零部件。由于浮選機(jī)軸承位置隱蔽，噪聲干擾因素較多，因此軸承故障的參數(shù)采集與監(jiān)測是浮選機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)所需解決的主要技術(shù)難題。

軸承的故障通常以振動的形式表現(xiàn)出來，當(dāng)軸承的不同部件出現(xiàn)損傷時，會出現(xiàn)對應(yīng)的特征頻率。軸承滾動體的固有頻率計算公式為：

(1)

其中：R為軸承滾動體的半徑，mm；E為軸承材料彈性模量，Pa；ρ為軸承材料密度，kg/m3。

軸承內(nèi)圈與外圈的固有振動頻率計算公式為：

(2)

其中：n為固有頻率的階次數(shù)；a為軸承回轉(zhuǎn)軸線到中性軸的半徑，mm；I為軸承套圈繞軸的慣性矩，m4；M為軸承質(zhì)量，kg。

當(dāng)軸承各部件出現(xiàn)損傷時，對應(yīng)的特征振動頻率如表1所示。表1中，D為軸承的節(jié)徑，mm；d為滾動體直徑，mm；Z為滾動體個數(shù)；α為接觸角，(°)。

表1 軸承各部件損傷的特征頻率

系統(tǒng)通過采集軸承實際振動頻率，與正常工況下的軸承固有頻率和各部件損傷后的特征頻率對比，分析可得該軸承是否存在損傷，并判斷損傷位置。

2 浮選機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 浮選機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)整體方案設(shè)計

浮選機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括：

(1) 信息采集功能：通過采集終端設(shè)備對浮選機(jī)溫度信號、振動信號及電信號進(jìn)行采集。

(2) 數(shù)據(jù)分析功能：通過處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到設(shè)備實際運行參數(shù)，判斷故障類型。

(3) 實時通信功能：通過無線通信模塊與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行連接，方便工作人員及時掌握設(shè)備狀態(tài)，提高故障維修效率。

(4) 浮選機(jī)運行數(shù)據(jù)的存儲、處理、圖表繪制功能：直觀地反映設(shè)備的運行狀態(tài)。

(5) 系統(tǒng)管理功能：按照不同用戶管理權(quán)限設(shè)置賬戶，方便分級管理。

浮選機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由信號測量模塊、無線通信模塊、處理器模塊與計算機(jī)等組成。信號測量模塊包括溫度、振動與電流測量模塊，用于采集電機(jī)溫度、環(huán)境溫度、軸承振動信號與電流信號等。系統(tǒng)采用的無線通信模塊為WIFI模塊，可與手機(jī)與計算機(jī)等現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信。處理器模塊采用ARM內(nèi)核32位STM32F103RBT6微控制器，最小系統(tǒng)包括芯片、電源電路、復(fù)位電路、調(diào)試電路和晶振電路等。

圖1 浮選機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 信號測量模塊設(shè)計

信號測量模塊中的振動測量模塊利用加速度傳感器實現(xiàn)，選用嵌入式芯片LIS3DSH，可在惡劣環(huán)境下完成軸承振動信號的測量工作。振動信號測量電路如圖2所示，采用獨立PCB板澆筑而成，可直接貼附于軸承外圈，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確測量。

圖2 振動信號測量電路

溫度測量模塊需要測量電機(jī)溫度與環(huán)境溫度，系統(tǒng)采用鉑電阻溫升傳感元件PT100實現(xiàn)，將鉑電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系輸入于芯片，通過測量電路電阻來獲取溫度信號，溫度信號測量電路如圖3所示。

圖3 溫度信號測量電路

3 浮選機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的控制過程為：系統(tǒng)終端設(shè)備復(fù)位后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，信號采集模塊對浮選機(jī)的振動、溫度與電信號等參數(shù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)存儲到芯片中，處理器模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)與計算機(jī)等現(xiàn)場設(shè)備。系統(tǒng)在運行前，應(yīng)當(dāng)設(shè)定好電機(jī)的環(huán)境溫度閾值，當(dāng)溫度信號超出設(shè)定閾值后，系統(tǒng)進(jìn)行報警。振動信號經(jīng)過處理得到特征頻率，通過對比軸承的固有頻率及各故障類型的特征頻率，判斷軸承運行狀態(tài)，若軸承存在異常，系統(tǒng)進(jìn)行報警，并診斷故障類型，方便工作人員及時檢修。

4 故障監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果

設(shè)置50組軸承樣本，包括正常、內(nèi)圈損傷、外圈損傷、滾動體損傷和保持器損傷5種類型樣本，每種樣本各設(shè)置10個，利用監(jiān)測系統(tǒng)對軸承的運行狀態(tài)進(jìn)行分類。試驗結(jié)果如表2所示。50組樣本中，錯誤分類樣本數(shù)為4個，正確率達(dá)到92%，滿足日常故障診斷需求。

表2 故障監(jiān)測系統(tǒng)試驗結(jié)果

5 結(jié)語

本文通過對浮選機(jī)的主要故障類型進(jìn)行分析，確定軸承故障監(jiān)測為主要技術(shù)難題，研究得到軸承的固有頻率與特征頻率，提出了故障監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案，并設(shè)計了系統(tǒng)的信號采集模塊與無線通信模塊等，通過試驗驗證了系統(tǒng)的故障監(jiān)測正確率，證明了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。