礦用振動篩激振器故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

姜 雪，韓 越，蔡道勇，谷明霞，郝妮妮

1山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 山東青島 266000

2山東科大機(jī)電科技股份有限公司技術(shù)中心 山東濟(jì)寧 272000

振 動篩是洗煤廠的核心設(shè)備之一，主要應(yīng)用于原煤的分級、脫水、脫介方面[1-3]。而激振器是整個(gè)振動篩的動力來源，提供激振力[4]。激振器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動量是普通設(shè)備的幾十倍甚至上百倍，由于偏心塊產(chǎn)生的振動會覆蓋內(nèi)部部件損壞產(chǎn)生的振動，并且設(shè)備在運(yùn)行過程中人員無法靠近，因此普通的檢測手段無法準(zhǔn)確地掌握激振器的狀態(tài)。激振器軸承的使用工況十分惡劣，與一般機(jī)械傳動所用軸承相比，它需要承受由離心力作用下偏心塊產(chǎn)生的沖擊，而這種振動載荷是一種較高交變頻率[5]的作用力；同時(shí)，還存在由于熱膨脹引起軸向移動、高速度、高加速度、高溫等其他工況。激振器的軸承、齒輪等出現(xiàn)損傷后，如果檢修不及時(shí)，會造成設(shè)備的二次損傷，增加設(shè)備維修成本，甚至報(bào)廢。因此，在激振器發(fā)生故障前，迅速判斷故障并做出預(yù)警，是維護(hù)振動篩設(shè)備的關(guān)鍵工作。

1 激振器工作機(jī)理與監(jiān)測方案

激振器實(shí)際是1臺齒輪箱，包含 2 根主軸，每根主軸上帶 1 個(gè)齒輪和 2 個(gè)軸承，軸承對軸起固定作用，且軸承為激振器專用軸承，保證齒輪可以高效、快速運(yùn)行。在激振器運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)帶動偏心輪運(yùn)轉(zhuǎn)，篩箱重心軸線圍繞幾何中心線進(jìn)行轉(zhuǎn)動，在垂直方向以轉(zhuǎn)速為周期做正弦運(yùn)動。激振器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 激振器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of exciter

由圖 1 可知：傳感器擬安裝位置共A、B、C、D4 點(diǎn)。齒輪的振動信號是通過軸承進(jìn)行傳遞的，考慮到設(shè)備結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場環(huán)境影響、傳感器的安全性和后期維護(hù)；而且激振器整體尺寸較小，結(jié)構(gòu)緊湊，長寬高尺寸均在 1 m 以內(nèi)，且轉(zhuǎn)速較高；因此，軸承和齒輪的故障數(shù)據(jù)信號可以在殼體上進(jìn)行有效的傳遞。最終確定在每臺激振器上安裝 2 只傳感器，分別安裝在C、D位置，安裝方向分別為垂直方向(V)和水平方向(H)。其現(xiàn)場安裝位置如圖 2 所示，圖中 1、2 位置為電動機(jī)側(cè)激振器 1 的測點(diǎn)，3、4 位置為非電動機(jī)側(cè)激振器 2 的測點(diǎn)。

2 傳感器的選用

由于激振器轉(zhuǎn)速較高，其主要旋轉(zhuǎn)部件為軸承和齒輪。其中，齒輪的故障主要通過其嚙合頻率fc及其1～3 倍諧頻進(jìn)行判斷，其故障分析頻率段主要集中在 3 kHz 以下，fc的計(jì)算如式(1)所示。而軸承的故障頻率經(jīng)過調(diào)制后通常表現(xiàn)在高頻段，即 3～10 kHz 頻率段，其故障頻率計(jì)算如式(2)～(5)所示。因此在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)選用能夠同時(shí)采集高頻和低頻信號的振動傳感器。

圖2 傳感器的安裝位置Fig.2 Installation location of sensor

齒輪嚙合頻率

內(nèi)圈故障頻率

外圈故障頻率

滾動體故障頻率

保持架故障頻率

式中：f1、f2為軸轉(zhuǎn)頻，Hz；z1、z2為對應(yīng)齒輪的齒數(shù)；d為滾珠直徑，mm；D為節(jié)圓直徑，mm；n為滾珠數(shù)，個(gè)；α為接觸角。

高頻振動與 溫度監(jiān)測器是山東科大機(jī)電科技股份有限公司開發(fā)的用來監(jiān)測機(jī)器重要部位的振動與溫度的無線傳感器。它由電源模塊、采集處理模塊、無線發(fā)送模塊組成，封裝在不銹鋼外殼內(nèi)。其內(nèi)置壓電晶體加速度傳感器和溫度傳感器，振動分析頻率范圍為0.5 Hz～10 kHz，可以采集機(jī)器設(shè)備的動態(tài)振動加速度信號和設(shè)備表面溫度信號，通過無線傳輸?shù)姆绞綄y量的數(shù)據(jù)發(fā)送至無線協(xié)調(diào)器。最終通過無線協(xié)調(diào)器傳輸至后臺故障診斷軟件，對其進(jìn)行濾波、加窗、FFT變換、時(shí)頻域分析、包絡(luò)分析等。由云端專家診斷系統(tǒng)判斷出軸承、齒輪箱或軸系的故障，便于對激振器進(jìn)行預(yù)測性維修，減少非計(jì)劃停機(jī)。無線高頻振動/溫度監(jiān)測器實(shí)物如圖 3 所示，現(xiàn)場安裝如圖 4 所示。

圖3 無線高頻振動溫度監(jiān)測器Fig.3 Wireless high-frequency vibration and temperature monitor

圖4 傳感器的現(xiàn)場安裝Fig.4 Field installation of sensor

3 故障監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及原理

振動篩激振器故障監(jiān)測系統(tǒng)如圖 5 所示。

圖5 振動篩激振器故障監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Frame of fault monitoring system for exciter of vibrating screen

該系統(tǒng)的工作原理如下：

(1)將高頻振動與溫度監(jiān)測器安裝在振動篩激振器上，定時(shí)采集設(shè)備振動和溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)(Zig Bee)傳送到遠(yuǎn)程控制傳輸箱。

(2)遠(yuǎn)程傳輸控制箱用于接收高頻振動與溫度監(jiān)測器采集的數(shù)據(jù)，并通過 4G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器；同時(shí)用于管理高頻振動與溫度監(jiān)測器的無線網(wǎng)絡(luò)。

(3)振動篩故障診斷系統(tǒng)包括云服務(wù)器、云端專家診斷系統(tǒng)、WEB 客戶端等。云服務(wù)器主要用于存儲和管理激振器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并為云端專家診斷系統(tǒng)、WEB 客戶端提供相關(guān)技術(shù)支撐；云端專家診斷系統(tǒng)、WEB 客戶端主要用于對激振器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行基于振動和溫度的多維度、多角度數(shù)據(jù)分析和故障診斷，包括報(bào)警管理、振動和溫度趨勢分析、基于波形數(shù)據(jù)的時(shí)頻域故障分析，例如時(shí)域分析、頻域分析(幅值譜、功率譜、倒數(shù)譜)、相關(guān)分析、階次分析、基于時(shí)域和頻域的包絡(luò)譜分析、雙圖分析等數(shù)據(jù)分析方法。其中，云端專家診斷系統(tǒng)需要用戶通過 WEB 客戶端對系統(tǒng)內(nèi)的專家進(jìn)行提問，并開放相關(guān)數(shù)據(jù)權(quán)限才能使用，是為解決客戶沒有相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才而研發(fā)的系統(tǒng)。

4 故障監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

2019 年 4 月 15 日，筆者將 8 只高頻振動與溫度監(jiān)測器按照圖 1、2 所示的方式和位置安裝在某礦的304 和 305 原煤分級篩上。

經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測，在 5 月 20 日，發(fā)現(xiàn) 304 原煤分級篩激振器 2 上的 4H 測點(diǎn)的振動存在小范圍的上升，5 月 23 日之后，3V 和 4H 測點(diǎn)的振動均方根值均開始大幅度的上升，其趨勢如圖 6、7 所示。激振器2 的溫度變化情況如圖 8 所示。

圖6 3V 測點(diǎn)振動加速度均方根趨勢Fig.6 Tendency of mean square root of vibrating acceleration at point 3V

圖7 4H 測點(diǎn)振動加速度均方根趨勢Fig.7 Tendency of mean square root of vibrating acceleration at point 4H

圖8 激振器 2 的溫度變化Fig.8 Temperature variation of exciter 2

由圖 6、7 可知，激振器 2 在 3V 和 4H 2 個(gè)測點(diǎn)的振動加速度均方根值在 5 月 23 日-6 月 6 日，均呈現(xiàn)明顯的大幅度、持續(xù)性上升趨勢；其中，3V 測點(diǎn)振動有效值由 25 m/s2上升至 68 m/s2，上升 2.32倍；4H 測點(diǎn)振動有效值由 5 m/s2上升至 68 m/s2，上升 13.6 倍。

由圖 8 可知：激振器 2 溫度持續(xù)上升，溫度由60 ℃上升至 82 ℃，前后溫差在 22 ℃，上升 1.37 倍；其中 3V 測點(diǎn)的振動加速度有效值變化比溫度的變化更加劇烈。振動有效值變化前后 3V 測點(diǎn)的時(shí)域、頻域波形對比如圖 9、10 所示。

在圖 9、10 中，上圖數(shù)據(jù)是正常信號，下圖數(shù)據(jù)是故障信號。

(1)正常時(shí)域波形信號呈現(xiàn)明顯的正弦波形，以激振器軸的轉(zhuǎn)速為周期，波形的最大值約為 40 m/s2；故障時(shí)，時(shí)域波形被某一信號嚴(yán)重調(diào)制，其波形幅值最大值約為 200 m/s2。

(2)正常信號的頻譜圖中，主要頻率成分為 13.34 Hz，為激振器軸的轉(zhuǎn)頻。故障信號頻譜圖的主要頻率特征也為 13.34 Hz，為激振器軸的轉(zhuǎn)頻。但頻率在100～2 000 Hz 有明顯的特征頻率，相鄰譜峰值的間隔約為 124 Hz，約為軸轉(zhuǎn)頻的 8.13 階，推測為激振器某一軸承的故障頻率。對該故障信號的頻譜其進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，結(jié)果如圖 11 所示。

圖9 振動有效值變化前后，3V 測點(diǎn)的時(shí)域波形對比Fig.9 Comparison of time-domain waveform at point 3V before and after variation of effective vibrating value

圖10 振動有效值變化前后，3V 測點(diǎn)的頻域波形對比Fig.10 Comparison of frequency-domain waveform at point 3V before and after variation of effective vibrating value

圖11 故障信號的時(shí)域、頻域包絡(luò)解調(diào)譜Fig.11 Time-domain and frequency-domain envelope demodulation spectrum of fault signal

由圖 11 可知：時(shí)域包絡(luò)譜中可見明顯的沖擊特征，頻域的包絡(luò)解調(diào)譜中可見明顯的特征頻率，124.61 Hz 及其諧頻，約為軸轉(zhuǎn)頻的 8.16 階。經(jīng)查詢，該設(shè)備的軸承型號為 22322，經(jīng)過計(jì)算得到該軸承的內(nèi)圈故障頻率為 125.7 Hz，與傳感器測量得到的頻率相近。因此，斷定該激振器軸承存在內(nèi)圈故障，并及時(shí)通知廠家。在 6 月 7 日對該激振器進(jìn)行維護(hù)，更換激振器后，振動趨勢恢復(fù)至正常振動水平。維護(hù)前后振動趨勢對比如圖 12 所示。該設(shè)備拆解后的故障軸承如圖13 所示，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈存在明顯的損傷。

圖12 激振器2的振動加速度趨勢軸承維護(hù)前后Fig.12 Comparison of vibrating acceleration tendency of exciter 2 before and after bearings maintenance

圖13 拆解后的軸承Fig.13 Disassembled bearings

5 結(jié)語

故障監(jiān)測系統(tǒng)選用無線高頻振動與溫度監(jiān)測器采集振動篩激振器的振動信號，由后臺故障診斷軟件對設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行 FFT 變化、包絡(luò)等一系列處理，最后由云端專家診斷系統(tǒng)根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)信息對設(shè)備進(jìn)行故障診斷?，F(xiàn)場應(yīng)用證明，故障監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施效果良好，能夠在線監(jiān)測激振器的運(yùn)行狀態(tài)，減少振動篩非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，有助于降低維修成本，實(shí)現(xiàn)設(shè)備診斷的智能化。