振動篩故障早期診斷與維護系統(tǒng)的設(shè)計

趙環(huán)帥，尹德奪

(1.中國冶金礦山細粒篩分機械工程技術(shù)研究中心； 2.唐山杰斯德科技有限公司，河北 唐山 063020)

振動篩是現(xiàn)代礦物加工行業(yè)重要設(shè)備之一，主要用于物料的分級、脫水、脫泥及脫介作業(yè)[1]。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，作為現(xiàn)代企業(yè)管理的一個重要組成部分，振動篩設(shè)備管理水平和現(xiàn)代化程度，無疑將直接影響企業(yè)的生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本、勞動生產(chǎn)率和能源消耗等，因而也就直接影響企業(yè)的效益與發(fā)展速度。傳統(tǒng)的振動篩設(shè)備維修方式主要是定期(時)維修、事后維修以及中途搶修等，由于無法及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備初期故障點，設(shè)備持續(xù)運行中導(dǎo)致故障點擴大，最終造成設(shè)備整體癱瘓或嚴重損壞，不僅影響生產(chǎn)正常進行，也帶來高昂的設(shè)備維修費用[2-3]。為適應(yīng)市場經(jīng)濟的需要，在現(xiàn)代化企業(yè)中應(yīng)著力推行基于狀態(tài)實時在線監(jiān)測的振動篩故障早期診斷及維護維修模式，以此來代替?zhèn)鹘y(tǒng)維修策略，便于在振動篩設(shè)備故障趨勢形成時提供維護參考，實現(xiàn)全流程設(shè)備的預(yù)檢預(yù)修，可為企業(yè)避免不可估量的經(jīng)濟損失。

1 企業(yè)設(shè)備維修管理的發(fā)展過程

隨著新的維修觀念和技術(shù)迅速發(fā)展，設(shè)備維修管理領(lǐng)域有了多種新發(fā)展變化?？傮w而言，從20世紀40年代至今，主要分為3個典型階段(圖1)，最主要特點是從以前強調(diào)大修和保障系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念演變成包涵不同領(lǐng)域里的多種新發(fā)展過程[4-6]。

圖1 發(fā)展過程

2 企業(yè)設(shè)備維修管理中存在的問題

傳統(tǒng)的設(shè)備維修方式主要有定期(時)維修、事后維修及中途搶修等，后2種主要是指當機電設(shè)備出現(xiàn)故障以后才進行維修，是一種比較被動的維修方式。因為設(shè)備出現(xiàn)狀況往往是屬于偶然性，維修要么是沒有充分的從根本上解決設(shè)備的問題，要么是由于準備不充分無法進行維修。而最主要的是定期(時)維修，實際是預(yù)防性維修的一種方式，一般按照設(shè)備規(guī)定的維修期進行維修。隨著目前各種設(shè)備復(fù)雜程度的不斷提高，定期維修暴露出越來越多的缺點。主要表現(xiàn)為：

(1)不必要的維修會增加故障率，容易影響設(shè)備性能。一臺設(shè)備或一個系統(tǒng)本來是穩(wěn)定的，若進行拆修，容易擾動設(shè)備的穩(wěn)定狀態(tài)，同時拆修很可能引起各種早期故障，對于大型復(fù)雜設(shè)備尤其明顯。

(2)可能浪費大量人力和物力。每次拆修大型復(fù)雜設(shè)備與系統(tǒng)，一般需要投入很多的人力和物力。合理的預(yù)檢與預(yù)修則可以在顯著提高維修效益的同時，也能在一定程度上節(jié)約大量的人力和物力。

(3)產(chǎn)生過剩維修的缺陷。如果設(shè)備不分主次，一律按照定期計劃維修，設(shè)備容易出現(xiàn)不必要地更換和拆卸過程中的損壞，原來磨合好的部件又被重新裝配，從而產(chǎn)生過剩維修的缺陷。

(4)降低設(shè)備的使用壽命。每次拆修設(shè)備，都容易使設(shè)備材料強度降低，拆修后再次啟動，又會增加材料的疲勞損壞，因此在設(shè)備維修過程中，尤其頻繁定期大修，會降低設(shè)備的使用壽命。

(5)缺乏針對性。在不考慮設(shè)備狀態(tài)的情況下，都得按計劃定期維修，重新校裝，雖然在一定程度上可以起到預(yù)防作用，但不能對癥下藥，具有維修的盲目性，也容易造成機物料的浪費。

3 基于狀態(tài)實時在線監(jiān)測的設(shè)備故障早期診斷及維護系統(tǒng)

在現(xiàn)代化企業(yè)中，采用基于狀態(tài)實時在線監(jiān)測的設(shè)備故障早期診斷及維護維修模式，可以有效減少故障停機維修時間及維修費用，其經(jīng)濟效益非常顯著。

3.1 系統(tǒng)的組成

基于狀態(tài)的維修(CBM)是預(yù)報設(shè)備初始故障并進行主動維修的一種形式。CBM是基于設(shè)備運轉(zhuǎn)實時或接近實時數(shù)據(jù)，評估設(shè)備狀態(tài)的一系列維修活動。設(shè)備狀態(tài)由智能傳感器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和專用軟件平臺取得?；跔顟B(tài)的維修(CBM)與被動式維修和預(yù)防性維修的原理截然不同，其主要是基于設(shè)備的實時狀態(tài)，利用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，按診斷程序來確定設(shè)備是否正常的維修活動。CBM仍然屬于預(yù)防性維修的范疇，是預(yù)防性維修的進一步發(fā)展。

3.2 系統(tǒng)主要功能

(1)能夠?qū)⒃O(shè)備故障消滅在萌芽狀態(tài)?；跔顟B(tài)的維修(CBM)通過事先檢測運行狀態(tài)，確診異常狀態(tài)，預(yù)先巡檢，主動巡查并確定異常狀態(tài)，及時進行事先維修。

(2)可以較大幅度降低維修費用，縮短維修時間或避免設(shè)備的過剩維修。由于設(shè)備的實際運行狀態(tài)、制造質(zhì)量及操作人員的技術(shù)水平等諸多因素差異，每臺設(shè)備或零部件的使用壽命均不同，因而故障發(fā)生點也多不相同。因此，需要維修人員認真分析和準確判斷故障點，對設(shè)備進行有針對性的維修。據(jù)有關(guān)資料表明，與采用定期計劃維修體制的企業(yè)相比，采用基于狀態(tài)的維修(CBM)，設(shè)備故障下降63%～84%，設(shè)備維修用工下降26%～30%，機物料用量下降22%～31%，計劃停臺率降低2.5%～3.7%。

(3)利用了設(shè)備的全壽命周期，計劃性比傳統(tǒng)維修計劃更符合實際?；跔顟B(tài)的維修(CBM)雖然側(cè)重于狀態(tài)，但也有計劃，只是這種計劃是建立在狀態(tài)的基礎(chǔ)上。其強調(diào)計劃檢測，事先搜集信息，計劃適時適度修理，因此它的計劃性更符合實際。

(4)核心是巡回檢測、故障診斷和適時適度修理。由于修理之前是預(yù)知狀態(tài)，因此基于狀態(tài)的維修(CBM)又叫預(yù)知修理，比傳統(tǒng)的設(shè)備維修方式更客觀、準確，對裝備狀態(tài)的檢測診斷上升到定量階段，對裝備維修更具有指導(dǎo)意義。

(5)按照實際需要進行修理，提高設(shè)備的利用率。因基于狀態(tài)的維修(CBM)對每臺設(shè)備都進行狀態(tài)監(jiān)測，因此能及時準確地查出故障或隱患，只需更換或修理損壞的零件，從而保證了維修質(zhì)量，避免設(shè)備事故，減少了設(shè)備停機時間和配件的消耗，大幅度地提高設(shè)備的利用率，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。

4 振動篩故障早期診斷與維護系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 研究的必要性

振動篩主要依靠各種驅(qū)動裝置產(chǎn)生的激振力驅(qū)動篩箱做直線運動。在振動過程中，由于振動篩本身及外部因素的作用，有時會出現(xiàn)橫梁斷裂、側(cè)板開裂、篩網(wǎng)破損、激振器噪聲及溫升增大的情況，若這些故障不能及時發(fā)現(xiàn)，將會導(dǎo)致振動篩損壞，嚴重時導(dǎo)致設(shè)備癱瘓，另外也會導(dǎo)致篩分效率下降，對后續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響。比如：激振器是振動篩的主要部件，當激振器內(nèi)部出現(xiàn)齒輪組或軸承故障、潤滑失效等情況，會直接導(dǎo)致篩面偏振，造成篩分效果變差，如不及時對故障進行檢修，嚴重時可能導(dǎo)致激振器整體損壞。由于該部件維修及更換的成本較高，且振動篩為工藝主要設(shè)備，其故障停機將會對生產(chǎn)造成嚴重影響。橫梁與側(cè)板出現(xiàn)裂紋時，若不能及時發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致裂紋的繼續(xù)延伸，最終導(dǎo)致橫梁與側(cè)板的整體斷裂，而無法修復(fù)；篩網(wǎng)破損后若不能及時發(fā)現(xiàn)，會出現(xiàn)物料的跑粗現(xiàn)象，同時，產(chǎn)生的二次振動會對支撐橫梁產(chǎn)生不利影響。為此，對振動篩進行實時在線監(jiān)測，進行故障早期預(yù)測，實現(xiàn)預(yù)檢預(yù)修，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

4.2 設(shè)計思路

為確保振動篩高效可靠地運行，考慮到提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗等客觀要求，通過將現(xiàn)代自動化控制、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通訊等多種技術(shù)相結(jié)合，改變了原來自我封閉的單一控制方式，實現(xiàn)自動監(jiān)測控制的智能化和管理網(wǎng)絡(luò)化。振動篩故障早期診斷及維護系統(tǒng)能夠?qū)崟r在線監(jiān)測振動篩工作振幅、振動頻率、激振器齒輪箱溫升、電機運行負荷等工況，通過對傳感器采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能化分析，對工作振幅與振動頻率的變化、激振器齒輪箱溫升異常、電機運行負荷突變等異常工況進行趨勢預(yù)測，并提供維檢計劃[7-10]。

4.3 故障診斷機理

振動篩在工作過程中，橫梁斷裂、側(cè)板開裂、篩網(wǎng)破損等故障出現(xiàn)以后，一般最直接的表現(xiàn)在振幅、頻率及噪聲的變化。振動篩一般處于惡劣的環(huán)境工作，周圍的噪聲較大，因此噪聲的變化，有時候很難觀察到，而振幅、頻率的變化可以通過設(shè)備監(jiān)測得到；振動篩激振器在正常工作過程中，其內(nèi)部潤滑油將維持在一個相對穩(wěn)定的限值內(nèi)，當故障產(chǎn)生時，由于齒輪間摩擦增加或軸承自身旋轉(zhuǎn)阻力增加，均會導(dǎo)致運動部件溫升，這些額外產(chǎn)生的熱量直接導(dǎo)致潤滑油溫升，為此監(jiān)測激振器齒輪箱油溫可以作為檢測對象，同時電機的運行負荷在上述故障作用下會產(chǎn)生波動，為此，擬對上述參數(shù)進行在線監(jiān)測(圖2)。

圖2 檢測參數(shù)

4.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

振動篩故障早期診斷及維護系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線+工廠局域網(wǎng)(或互聯(lián)網(wǎng))進行監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)場總線主要負責將工廠車間分布式智能傳感器采集到的數(shù)據(jù)集中傳輸至現(xiàn)場智能測控終端，數(shù)據(jù)經(jīng)過測控終端送入企業(yè)局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)服務(wù)器將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲，管理終端通過網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可拓展移動終端應(yīng)用，通過專用APP進行操作(圖3)。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.5 軟件平臺

平臺軟件包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)庫軟件、設(shè)備監(jiān)測與故障診斷軟件和遠程管理終端軟件。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)庫軟件主要實現(xiàn)對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集、存儲和初級分析處理，擬采用ORACLE數(shù)據(jù)庫；設(shè)備監(jiān)測與故障診斷軟件主要從數(shù)據(jù)庫獲取現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過開發(fā)的設(shè)備運行狀態(tài)診斷算法對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行定性分析，并結(jié)合專家系統(tǒng)進行設(shè)備運行工況的實時監(jiān)測和故障預(yù)測，提供維檢計劃、維修建議、故障預(yù)警等功能，擬采用C#及JAVA等軟件開發(fā)；遠程管理終端軟件能夠通過互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場設(shè)備進行遠程管理，采用B/S架構(gòu)。

4.6 智能硬件

智能硬件包括自行研制的智能傳感器和現(xiàn)場智能測控終端。智能傳感器具有溫度、加速度等參量檢測功能，同時內(nèi)置微控制器和通訊模組，實現(xiàn)參數(shù)檢測、處理、遠傳等功能，模塊化封裝、網(wǎng)絡(luò)化運行?，F(xiàn)場智能測控終端與智能傳感器配合使用，能夠?qū)Υ罅楷F(xiàn)場智能傳感器進行管理，具有局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換功能。

5 應(yīng)用情況

通過對某大型振動篩測試(圖4)，故障早期診斷及維護系統(tǒng)可以對該振動篩運行工況中的振幅、頻率、激振器溫升、電機功率等技術(shù)參數(shù)進行實時在線監(jiān)測，改變了原來自我封閉的單一控制方式，實現(xiàn)云智能自動檢測控制的智能化和管理的網(wǎng)絡(luò)化。通過這種預(yù)測性維護模式預(yù)防意外的機器故障及非計劃停機時間，可為企業(yè)避免不可估量的經(jīng)濟損失。

圖4 測試現(xiàn)場

6 結(jié) 語

振動篩故障早期診斷及維護系統(tǒng)可以對振動篩運行工況中的各種技術(shù)參數(shù)進行實時在線監(jiān)測，從而有利于未來綠色智慧礦山的發(fā)展。但存在的問題是由于需要各種傳感器放置于篩機上，且放置過少會影響測試結(jié)果，在振動篩的振動過程中由于測試數(shù)據(jù)線較多，不利于現(xiàn)場的管理，因此今后研究采用無線測試技術(shù)，以完善振動篩故障早期診斷及維護系統(tǒng)目前存在的不足，是該技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。