聲振檢測儀在煙草卷包設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

摘要：煙草卷包設(shè)備在煙草的制造生產(chǎn)過程中起著重要的作用，卷包設(shè)備的故障除了具有一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械的共性，更具有遠(yuǎn)復(fù)雜于一般旋轉(zhuǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性，傳統(tǒng)的故障診斷方法效果甚微。為檢測這類結(jié)構(gòu)精密、輕載設(shè)備的故障，利用聲振檢測儀將振動信號和超聲信號融合來提高設(shè)備的故障預(yù)警率。

關(guān)鍵詞：煙草卷包設(shè)備；故障診斷；聲振檢測儀；煙草制造；旋轉(zhuǎn)機(jī)械 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TG333 文章編號：1009-2374（2016）05-0048-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.025

目前，我國卷煙制造量和消費量均占世界總量的三分之一，是全球最大的卷煙制造國和消費國。卷包設(shè)備是煙草生產(chǎn)制造中的核心設(shè)備，其運行速度快（目前國內(nèi)最高達(dá)16000支煙/分鐘）、價值高（一組16000的卷包設(shè)備價值上億元人民幣），所有卷包設(shè)備都是由電機(jī)、齒輪、軸承、凸輪、連桿等各種傳動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)組成。卷包設(shè)備的故障除了具有一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械的共性，更具有遠(yuǎn)復(fù)雜于一般旋轉(zhuǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性。我國的一些高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)在故障診斷的理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)步，加速度、聲發(fā)射及聲強傳感器在滾動軸承的故障診斷領(lǐng)域都有應(yīng)用。加速度、聲發(fā)射及聲強傳感器只能拾取其中一種參量，不可避免地產(chǎn)生誤差及誤判，并伴有其他缺點，加速度檢測的缺點是靈敏度越高，量程越小，也越易損壞，同時容易受到噪聲干擾，難以發(fā)現(xiàn)早期故障。聲發(fā)射檢測的缺點是靈敏度不高、輸出阻抗高。聲強傳感器檢測的缺點是只能檢測行走部的異常響聲，極易受到外界噪音的干擾。這些傳統(tǒng)的故障診斷方法針對這類結(jié)構(gòu)精密、輕載的設(shè)備效果甚微，因此采用聲振檢測儀對卷包設(shè)備進(jìn)行故障診斷具有現(xiàn)實意義。

1 聲振檢測儀

1.1 聲發(fā)射檢測原理

材料受到外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或者裂紋擴(kuò)展時，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。用儀器檢測、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測技術(shù)，它是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種動態(tài)無損檢測新技術(shù)，其利用物質(zhì)內(nèi)部微粒（包括原子、分子及粒子群）由于相對運動而以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象來識別和了解物質(zhì)或結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)，聲發(fā)射信號包括突發(fā)型和連續(xù)型兩種。突發(fā)型聲發(fā)射信號由區(qū)別于背景噪聲的脈沖組成，且在時間上可以分開；連續(xù)型聲發(fā)射信號的單個脈沖不可分辨。實際上，連續(xù)型聲發(fā)射信號也是由大量小的突發(fā)型信號組成的，只不過太密集而不能分辨而已。目前對于聲發(fā)射信號的分析方法主要包括參數(shù)分析法和波形分析法，把這兩種方法有機(jī)結(jié)合實現(xiàn)對一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運行精準(zhǔn)設(shè)備的運行狀態(tài)診測。

1.2 聲振檢測儀結(jié)構(gòu)構(gòu)成

聲振檢測儀由聲振傳感器、信號放大濾波模塊、16位數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理（存儲、分析）模塊（MCU）、人機(jī)界面（LCD）五部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

1.3 聲振傳感器

聲振傳感器的靈敏度高于傳統(tǒng)的加速度傳感器及聲發(fā)射傳感器，帶寬大，靈敏度高。聲振傳感器可以拾取高頻脈沖振動、脈沖聲發(fā)射、摩擦連續(xù)聲發(fā)射等故障信息參量。

1.4 信號放大濾波模塊

信號放大濾波模塊主要包括放大電路、濾波電路以及為了匹配A/D采集芯片的需求，設(shè)計的電壓偏置電路。放大濾波模塊的主要作用有：放大采集信號，同時濾除各種噪聲干擾，從而提高電路的信噪比；將雙極性采集信號等比例變換為單極性信號，確保信號完整性。

1.5 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊通過FPGA與ARM綜合設(shè)計實現(xiàn)對采集系統(tǒng)的控制，采集信號通過A/D芯片實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，添加RAM模塊，存儲數(shù)據(jù)，同時輔以以太網(wǎng)模塊，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)進(jìn)行分析處理。

1.6 數(shù)據(jù)處理模塊（MCU）

數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括Exynos4112處理器、內(nèi)存及emmc。

采用三星Cortex-A9架構(gòu)的Exynos4412作為主處理器。雙通道DDR3 1G內(nèi)存，4GB emmc對主處理器提供了強有力的支持。數(shù)據(jù)經(jīng)由有線以太網(wǎng)拓展的Ethernet網(wǎng)口傳輸至Exynos4412進(jìn)行分析和計算，處理結(jié)果以TTL信號的形式傳輸至LCD屏幕，輔以觸摸屏，對儀器進(jìn)行操作。

1.7 人機(jī)界面（LCD）

人機(jī)界面采用7寸高清TFT LCD觸摸屏，用手指觸摸屏幕，輕松實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

2 聲振檢測儀故障診斷應(yīng)用

利用該聲振檢測儀分別對三臺GDX2煙支成型推桿傳動箱和兩臺GDX1設(shè)備的機(jī)身進(jìn)行了測試，其測試結(jié)果如下：

2.1 GDX2煙支成型推桿傳動箱的故障診斷

將聲振射傳感器安裝在GDX2煙支成型推桿傳動箱的外部，安裝部位如圖3所示（其位置安裝要求不高，只要在其關(guān)聯(lián)的地方即可）。

對三臺GDX2煙支成型推桿傳動箱編號為1號、2號和3號，采用聲振檢測系統(tǒng)分別對三臺正在工作的GDX2煙支成型推桿傳動箱進(jìn)行檢測（圖3，其三臺設(shè)備都正常運行，相關(guān)運行速度不能相差太懸殊）。圖4所示為對2號傳動箱檢測到的時域信號。

時域信號

從圖4可以看到該信號有明顯的周期性，通過分析，該信號的周期約為6Hz，也就是每分鐘360次，這與實際運行情況相吻合，在實際運行中，為了保證安全運行和煙包質(zhì)量的高要求，通常都會降低運行速度（最高速度為每分鐘400次）。這種周期性說明在推桿箱的運行過程中，存在某個部件的振動能產(chǎn)生超聲信號，這樣也會為故障分析提供一個基準(zhǔn)，當(dāng)在這個信號周期內(nèi)存在其他信號，可以認(rèn)為推桿箱的某個部件存在一定的問題，通過進(jìn)一步的分析來推斷故障的原因及是否進(jìn)行檢修。

將測試結(jié)果與實際的設(shè)備運行狀況進(jìn)行了比較（1號傳動箱的狀況最好，2號和3號傳動箱的狀況較差），3號設(shè)備在接下來的一個星期其傳動箱就發(fā)生了箱體內(nèi)的傳動滑塊損壞，不得不進(jìn)行維修后設(shè)備才能正常運行。測試結(jié)果與推桿傳動箱的實際狀況基本符合，說明聲振檢測儀可以對推桿傳動箱進(jìn)行故障檢測。

2.2 GDX1包裝機(jī)主機(jī)設(shè)備機(jī)身的故障檢測

為了便于驗證儀器測試的精確度，我們事前未選定任何設(shè)備，而是隨機(jī)選擇了對7號和9號卷包設(shè)備機(jī)身進(jìn)行了測試（測試人員也未在此設(shè)備上工作），測試部位包括左機(jī)身、中機(jī)身和右機(jī)身，每個部位安裝2個聲振傳感器，每臺設(shè)備分別測試3次，卷包設(shè)備的現(xiàn)場測試圖如圖5所示。分別計算出每臺設(shè)備的峭度（見表1）、高頻能量比（見表2）和聲振能量比（見表3）。

綜合峭度、高頻能量比和聲振能量比結(jié)果可知，7號和9號卷包機(jī)的左機(jī)身都處于良好狀態(tài)，7號的中機(jī)身和右機(jī)身狀態(tài)良好，9號的中機(jī)身和右機(jī)身狀態(tài)較差。而9號設(shè)備在接下來的運行過程中，其效率和質(zhì)量都不如其他兩臺設(shè)備好，根據(jù)車間操作和維修此設(shè)備的人員講，此設(shè)備需要進(jìn)行專項維護(hù)保養(yǎng)，在保養(yǎng)過程中確實發(fā)現(xiàn)9號設(shè)備的中機(jī)身和右機(jī)身齒輪均有不同程度的裂化，導(dǎo)致設(shè)備運行精度不高，質(zhì)量保障不夠，這與實際的卷包設(shè)備狀態(tài)相一致。

3 結(jié)語

通過聲振檢測儀對GDX2煙支成型推桿傳動箱和卷包設(shè)備的實際診斷應(yīng)用，結(jié)果表明在卷煙設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中，聲振檢測儀能夠快速準(zhǔn)確地反映出設(shè)備的運行狀態(tài)，并且相比傳統(tǒng)的檢測方法具有較高的靈敏度，在今后卷包設(shè)備的故障檢測中具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景，同時在其他重要的、運行精度高的、速度快的、不便于發(fā)現(xiàn)的、價值大的設(shè)備上同樣具有相關(guān)檢測診斷功能。后期將對更多的設(shè)備進(jìn)行檢測，對信號進(jìn)行更深入的分析，獲得各種故障的特征，形成較大的數(shù)據(jù)庫，并對檢測的結(jié)果和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，讓設(shè)備始終處于良好的運行狀態(tài)。展望工業(yè)4.0，更多現(xiàn)代化、智能化的設(shè)備將大量投入產(chǎn)品加工線中，如何保障這些設(shè)備始終處于良好的運行狀態(tài)，設(shè)備故障診斷顯得尤為重要，聲震檢測儀將在測試技術(shù)上更完善，力爭為國家的創(chuàng)新發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬斌.新中國煙草專賣制度改革：成本與收益分析

[D].江西財經(jīng)大學(xué)，2010.

[2] 包曙陽.煙草行業(yè)卷包設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與檢修管理系統(tǒng)研究[D].復(fù)旦大學(xué)，2008.

[3] 孫巖.煙草機(jī)械自動控制技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展方向[J].中國電子商務(wù)，2013，（14）.

[4] 張建澤.現(xiàn)代化工機(jī)械技術(shù)發(fā)展回顧與展望分析[J].科技與企業(yè)，2013，（19）.

[5] 姚桂艷，孫麗媛，程秀芳，等.機(jī)械故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].河北理工學(xué)院學(xué)報，2005，27（3）.

[6] 孔亞林.基于振動信號的滾動軸承故障診斷方法研究[D].大連理工大學(xué)，2006.

[7] 趙一帆，齊明俠，趙繼紅，等.基于聲發(fā)射技術(shù)的滾動軸承故障檢測[J].軸承，2010，（4）.

[8] 郝如江，盧文秀，褚福磊.聲發(fā)射檢測技術(shù)用于滾動軸承故障診斷的研究綜述[J].振動與沖擊，2008，27（3）.

[9] 劉春光，譚繼文，戰(zhàn)衛(wèi)俠，等.基于多傳感器信息融合技術(shù)在滾動軸承故障診斷中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2010，31（6）.

基金項目：川渝中煙重慶煙草工業(yè)有限責(zé)任公司重慶分廠科技項目“音頻技術(shù)在機(jī)械故障診斷中的應(yīng)用”（項目編號：2014-62）。

作者簡介：向邦云（1972-），男，重慶人，重慶中煙工業(yè)有限責(zé)任公司重慶卷煙廠工程師，研究生，研究方向：設(shè)備管理、設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備技術(shù)研究等。

（責(zé)任編輯：陳 潔）