振動篩梁斷裂故障診斷方法研究

山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司 李海龍 杜 軍

上海君美科技發(fā)展有限公司 周昭軍 嚴良文

振動篩梁斷裂故障診斷方法研究

山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司 李海龍 杜 軍

上海君美科技發(fā)展有限公司 周昭軍 嚴良文

研制了振動篩實驗?zāi)Ｐ?，并開發(fā)了振動篩梁斷裂故障實驗測試系統(tǒng)，利用雙軸加速度傳感器采集振動篩的加速度信號，并通過A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)保存到工控機中。比較實驗測試系統(tǒng)得出的模型篩特征頻率與理論頻率，相對誤差小于4.2%，驗證了硬件與軟件系統(tǒng)的準確性；同時將模型篩與香蕉直線振動篩的時域譜、頻域譜、功率譜的對比，其相對誤差小于1.25%，驗證了可以利用模型篩進行試驗來得到振動篩的固有特性參數(shù)；在振動篩實驗?zāi)Ｐ驼９ぷ骱土簲嗔训那闆r下，將時域譜、頻域譜、功率譜特性進行對比，得到了基于時域譜、頻域譜、功率譜的故障診斷方法。

振動篩；故障診斷；測試系統(tǒng)

1.引言

振動篩是一種廣泛用于散體物料分級的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于選煤、選礦等工業(yè)領(lǐng)域，它是利用振動特性來滿足生產(chǎn)中工藝過程和工作過程要求的。振動篩在工作過程中，環(huán)境惡劣，復雜的承載條件與長時間的連續(xù)工作，篩箱側(cè)板開裂、主梁斷裂、篩板松動損壞、軸承損壞等經(jīng)常發(fā)生，設(shè)備結(jié)構(gòu)的損傷是不可避免的[1][2]。同時由于國內(nèi)使用的振動篩大部分是由國外進口，一旦出現(xiàn)故障，維修周期長，導致巨大的經(jīng)濟損失。由于缺乏必要的檢測手段和設(shè)備，無法對設(shè)備的故障進行有效的檢測，特別是對于通過肉眼及經(jīng)驗無法判斷的隱性故障。因此，研究振動篩關(guān)鍵部件的故障規(guī)律，建立以設(shè)備狀態(tài)為基礎(chǔ)的預(yù)防維修體制，及早發(fā)現(xiàn)故障征兆，實現(xiàn)故障早期診斷和預(yù)報，實現(xiàn)振動篩結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測，具有重要的實用價值和現(xiàn)實意義。

2.振動篩實驗?zāi)Ｐ痛罱?/h2>

由于故障診斷系統(tǒng)開發(fā)需要大量的數(shù)據(jù)，包括振動篩正常工作時的數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，但是傳統(tǒng)的故障診斷方法中很少記錄發(fā)生故障時各種特征數(shù)據(jù)，不同故障數(shù)據(jù)特征不同，很難在現(xiàn)場采集，因此需要開發(fā)振動篩模型來獲取需要的各種數(shù)據(jù)。根據(jù)相似理論，設(shè)計制作振動篩實驗?zāi)Ｐ褪情_展故障診斷研究的適用方法。本文研究對象為香蕉直線振動篩，由于缺乏研究對象的技術(shù)數(shù)據(jù)，研究對象的幾何參數(shù)和動力參數(shù)的獲取是實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計基礎(chǔ)。

香蕉直線振動篩主要由篩箱、篩框、篩網(wǎng)、激振器、電機臺座、減振彈簧、支架等組成，按相似理論進行設(shè)計了實驗用振動篩。相似理論是一種數(shù)學解析法和實驗法相結(jié)合的指導實驗的理論，利用相似理論進行實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計時要符合力學相似原理，通常要考慮以下幾個方面[3]：

1)幾何相似：根據(jù)相似原理利用Pro/E繪圖軟件繪制了振動篩原型的三維模型如圖1所示。圖2為振動篩相似實驗?zāi)Ｐ蛯嵨飯D。

2)運動相似：振動篩原型為香蕉直線振動篩。其運動軌跡是在安裝在激振器箱梁上的兩個偏心塊反向運動提供的動力作用下的直線往復運動，與水平面呈43°角，激振器轉(zhuǎn)速為1000rpm。因此，實驗?zāi)Ｐ偷倪\動與原型機一致，其軌跡亦為直線往復運動，與水平面呈43°角，激振器轉(zhuǎn)速為1000rpm。

圖1 振動篩三維模型圖

圖2 振動篩相似實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖3 硬件總體結(jié)構(gòu)

圖4 振動篩相似實驗?zāi)Ｐ蛒軸方向信號實時、頻譜圖

圖5 振動篩、模型篩的x軸方向信號實時和頻譜圖

圖6 模型篩梁斷裂與正常情況Y軸方向信號時域、頻譜圖和功率譜

3)動力相似：工程上常用的兩種激振方式：a.利用兩臺參數(shù)相同到的激振電機反向運動實現(xiàn)激振；b.一臺電機帶動用齒輪連接的兩偏心塊反向轉(zhuǎn)動。兩種方式效果相同。振動篩原型的動力是通過電動機帶動安裝在激振器箱梁上的兩個偏心塊反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏心力提供的。在相似實驗?zāi)Ｐ椭?，為保證動力相似，同時降低成本，簡化加工，在此使用兩臺參數(shù)完全相同的激振電機來實現(xiàn)激振。

4)邊界條件處理：在模態(tài)實驗中，對系統(tǒng)固有特性影響最大的是幾何邊界條件，也即試驗結(jié)構(gòu)的支撐條件。支撐條件一般有自由支撐、固定支撐和原裝支撐。因此采用原裝支撐最為合適，這也是幾何邊界條件模擬中最優(yōu)邊界模擬。

3.試驗測試系統(tǒng)的總體設(shè)計

為了實現(xiàn)對振動篩振動參數(shù)的采集，設(shè)計了試驗測試系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)[4]。

硬件系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示，主要由振動篩、兩軸加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機構(gòu)成。

(1)振動篩為實驗振動篩和現(xiàn)場香蕉振動篩（以下簡稱振動篩）；

(2)加速度傳感器本系統(tǒng)選用PM-LAS2型雙軸加速度傳感器，輸出±5V直流電壓信號；

(3)數(shù)據(jù)采集卡選用UA301S型USB總線數(shù)據(jù)采集卡，分辨率：12bit；

(4)為了使采集卡以接線端子方式連接采集信號，本系統(tǒng)選用了UADZ-1型端子板；

(5)工控機作為本系統(tǒng)中控制和顯示終端設(shè)備，需要安裝VC6.0、labview10.0以及matlab7.0等軟件。

軟件系統(tǒng)基于LABVIEW的軟件開發(fā)平臺，將數(shù)據(jù)采集，利用matlab將采集到的數(shù)據(jù)進行小波濾波、帶通濾波消除趨勢項等處理，然后計算各種特征值，并繪成相應(yīng)的圖形。

3.試驗結(jié)果及分析

由于振動篩振動信號的頻率成分豐富，頻帶很寬，并且故障信息常常反映在中頻段和高頻段，測量振動所用的參數(shù)基本上是加速度。在現(xiàn)場，當振動篩正常運行時，將傳感器放置于振動篩的水平位置，測量豎直方向和縱向加速度(以下用x軸和y軸表示)，從而得到正常運行時的數(shù)據(jù)。

對振動篩的故障信號進行辨識主要是通過故障信號和發(fā)生故障前振動篩正常狀態(tài)的信號進行比較，根據(jù)常見故障信號的特征，對兩者的異同進行分析，發(fā)現(xiàn)其故障信號產(chǎn)生的機理，進而達到振動篩故障信號的辨識。

(1)理論特征頻率與試驗特征頻率的對比

振動篩的振動方程為：

m、c、k、s分別為振動篩結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼、剛度、位移， 為外部機振力。

由直線振動篩的工作原理可知，正常狀態(tài)在X、Y方向所受的力為：

由公式(1)、(2)、(3)可知振動篩的固有頻率與激振器激振頻率相同。

頻率的公式：

f、n、60分別為頻率(赫芝)、振動篩激振器轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)、每分鐘(秒)，振動篩激振器轉(zhuǎn)速為1000rPm。

通過利用上述設(shè)計的硬件與軟件系統(tǒng)對振動篩的振動數(shù)據(jù)進行采集，然后利用matlab進行處理并繪制時域譜、頻域譜、功率譜。相關(guān)處理結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知：振動篩相似實驗?zāi)Ｐ偷墓逃蓄l率為16Hz，與理論值固有頻率16.7的相對誤差小于4.2%。結(jié)果試驗表明，硬件與軟件系統(tǒng)總體設(shè)計的準確性。

(2)振動篩相似實驗?zāi)Ｐ团c香蕉直線振動篩的數(shù)據(jù)對比

對振動篩、模型篩的x軸方向信號實域、頻譜圖和功率譜對比，見圖5。由此可知二者固有頻率的相對誤差小于1.25%。因此，用相似理論可以直觀有效地得到振動篩的固有特性參數(shù)。

(3)振動篩相似實驗?zāi)Ｐ驼ＷV與模型振動篩故障譜的比較

通過對模型篩制造故障，從而得到相關(guān)參數(shù)，相關(guān)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以得到以下結(jié)論：

振動篩時域譜、頻域譜、功率譜出現(xiàn)“下移變化規(guī)律”，即：

(a)“降幅特征”：隨著梁裂紋的出現(xiàn)，其時域譜和頻率譜的幅值減小，并且頻率譜的幅值有大幅減小。

(b)“頻移”特征：隨著梁裂紋的出現(xiàn)，頻率譜的特征頻率向高頻偏移，并且特征頻率不再出現(xiàn)峰值，而是有一個特征頻率帶出現(xiàn)。

(c)“增頻”特征：隨著梁裂紋的出現(xiàn)，在功率譜圖中低頻區(qū)和高頻區(qū)會出現(xiàn)了一些新的頻率成分，并且隨著裂紋的擴展新增頻率成分會越多越復雜。

基于以上變化規(guī)律，可以總結(jié)出基于時域譜、頻域譜、功率譜的振動篩梁裂紋故障診斷方法。為故障診斷系統(tǒng)對現(xiàn)場運行設(shè)備的監(jiān)測提供了依據(jù)。

4.結(jié)論

根據(jù)幾何相似、運動相似、動力相似和邊界條件處理的相似理論研制了振動篩相似實驗?zāi)Ｐ?。并開發(fā)了振動篩梁斷裂故障實驗測試系統(tǒng)，通過對振動篩梁斷裂故障譜和正常運行譜的比較分析，得到了相關(guān)的故障判斷依據(jù)，從而為后期的現(xiàn)場振動篩監(jiān)測打下了基礎(chǔ)。

[1]王春花.振動篩結(jié)構(gòu)損傷故障診斷[D].太原理工大學碩士學位論文,2006.

[2]劉曉艷,于曉光.大型直線振動篩的動力學分析[J.鞍山科技大學學報,2003,26(2).

[3]趙國瑞等.香蕉型振動篩故障診斷實驗平臺的搭建[J].礦山機械,2008,36(5).

[4]譚程.TDLS2575型振動篩工況監(jiān)測系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文,2007.

李海龍（1973—），男，山西長治人，工程師，山西潞安集團余吾煤業(yè)有限公司選煤廠廠長，從事煤炭洗選管理工作。

周昭軍（1968—），男，畢業(yè)于華東理工大學，工學博士，上海君美科技發(fā)展有限公司總經(jīng)理，主要研究方向：過程裝備與機械。