振動診斷技術(shù)在選礦設(shè)備上的應(yīng)用

夏 霜

（湖北新冶鋼有限公司,湖北 黃石 435000）

礦石是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的原料，選礦是整個生產(chǎn)過程中比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，具有設(shè)備繁多、操作性連貫等特點。選礦廠多數(shù)設(shè)備價格昂貴且種類固定，發(fā)生故障后難以準(zhǔn)確診斷，會給生產(chǎn)帶來嚴重影響。目前關(guān)于選礦設(shè)備故障診斷困難的問題，很多學(xué)者進行了相應(yīng)研究，如李超（2019）等人則從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面對選礦應(yīng)用做出了研究[1]，茍筱林（2019）從大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)出發(fā)對輸變電設(shè)備診斷方法進行探討[2]。這些研究無法準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)選礦設(shè)備故障部位。針對此問題，本研究從振動頻率方面出發(fā)，通過故障設(shè)備振動頻率的變化，準(zhǔn)確辨別設(shè)備的故障部位，幫助科學(xué)制定出故障部位的維修方法，避免事故的發(fā)生[1]。球磨機是選礦工藝中較為重要且應(yīng)用較為廣泛的一種設(shè)備。為研究振動診斷技術(shù)在選礦設(shè)備上的應(yīng)用，本文以球磨機為例，通過采集球磨機設(shè)備振動監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷球磨機故障部位及故障情況。

1 振動診斷系統(tǒng)硬件及軟件配置

1.1 系統(tǒng)硬件配置

無線監(jiān)測器DX501：內(nèi)嵌振動加速度傳感器、溫度傳感器、信號采集處理電路。將采集的數(shù)據(jù)通過2.4 GHz頻段無線傳輸?shù)綗o線監(jiān)測站。

無線監(jiān)測站DX550：收集指定轄區(qū)域內(nèi)所有無線檢測器采集的數(shù)據(jù)，并通過局域網(wǎng)上傳至系統(tǒng)中心服務(wù)器。

系統(tǒng)中心服務(wù)器：負責(zé)接收和處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)服務(wù)器采用IBM x3650硬件平臺。該服務(wù)器對處理器性能進行了優(yōu)化，能夠提供雙核或四核計算能力，高級電源管理及矢量校準(zhǔn)冷卻技術(shù)可幫助降低數(shù)據(jù)中心的電力和冷卻成本[3]。

企業(yè)局域網(wǎng)：負責(zé)各硬件單元采集數(shù)據(jù)及分析結(jié)果的輸送。

web客戶端：該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用B/S結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一了客戶端，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集中的同時與指定數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互，客戶登陸web客戶端即可遠程訪問系統(tǒng)信息。

1.2 系統(tǒng)軟件配置

該系統(tǒng)軟件是基于.NET平臺和B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)的web應(yīng)用軟件。軟件配置：操作系統(tǒng)Windows Server 2003；數(shù)據(jù)庫PgSQL；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測管理DX1000。核心為設(shè)備監(jiān)測管理軟件，該軟件主要功能為設(shè)備組態(tài)、設(shè)備診斷、采集參數(shù)設(shè)置、采集數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)處理及對外web發(fā)布等。

2 振動信號分析

通過振動技術(shù)得到原始信號一般都是時域波形，無故障時波形振動幅度較小，發(fā)生故障時，振動信號出現(xiàn)明顯波動[4]。且發(fā)生故障的原因不同，信號變動頻率也不同，通過觀察信號變化規(guī)律，能初步判斷故障出現(xiàn)的原因。

2.1 信號頻域分析

不用類型機器產(chǎn)生的故障不同，振動信號頻率的改變也不同，故可用振動信號頻率分析機器產(chǎn)生振動的原因，幫助判斷不同種類的機器故障。頻譜分析是較為重要的一種振動信號分析方法，也是本研究采用的信號分析方法。根據(jù)每個故障部件對應(yīng)的特征頻率判斷該部件出現(xiàn)故障的原因及嚴重程度[2]。但在實際應(yīng)用中，振動頻率并非只受某一種部件故障的影響，與該部件相連的部件出現(xiàn)故障也會導(dǎo)致振動頻率出現(xiàn)波動，故想得到正確的診斷結(jié)果，需對該機械所有的參量進行分析[5]。

2.2 信號階次分析

為了得到更為準(zhǔn)確的振動信號，需對振動信號進行采樣，然后對數(shù)據(jù)進行一定處理。由于本研究的設(shè)備多數(shù)都在高速運轉(zhuǎn)中，故使用階次分析工具，對振動信號進行采樣。周期采樣的方法：在周期內(nèi)選取固定的幾個點為采樣點，用階次分析工具采樣，若采到的數(shù)據(jù)有該點，則直接使用該點為數(shù)據(jù)；若采到的數(shù)據(jù)沒有該點，則根據(jù)所需時刻，對該時刻的前后亮點進行線性插值，得到的數(shù)據(jù)為此刻的數(shù)據(jù)[6]。

因很多設(shè)備在工作時轉(zhuǎn)速會發(fā)生一定變化，為適應(yīng)此類設(shè)備頻率分析的特殊要求，可選用跟蹤周期采樣技術(shù)，繪制出以轉(zhuǎn)速的階次為橫坐標(biāo)的頻譜圖，該方法的好處在于以轉(zhuǎn)速階次表示的頻率軸上，階次頻率的位置始終保持不變。

2.3 趨勢分析

振動分析故障診斷法是根據(jù)振動狀態(tài)劣化曲線來預(yù)測該設(shè)備的失效時間及設(shè)備壽命。為探究振動診斷對設(shè)備預(yù)測準(zhǔn)確度，以選礦廠若干重大型設(shè)備作為振動趨勢分析對象，根據(jù)各個設(shè)備的特性對振動頻譜狀態(tài)進行抽樣，將抽樣數(shù)據(jù)建立《設(shè)備振動檢測報告》。該報告中包含設(shè)備編號、檢測探頭位置、不同擋位和不同轉(zhuǎn)速的振動頻譜特征及頻譜分析[7]。在設(shè)備出現(xiàn)問題時，通過振動頻率對比設(shè)備振動檢測報告中正常振動狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷該設(shè)備哪個部位出現(xiàn)故障，且及時予以維修。

3 振動診斷技術(shù)應(yīng)用

球磨機是選礦工藝中比較關(guān)鍵的設(shè)備，為驗證振動診斷系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用，本文以2130球磨機的小齒輪沖擊信號作為實驗對象，分析其產(chǎn)生原因及檢修方法[8]。該球磨機電機參數(shù)如表1所示。

表1 2130球磨機電機參數(shù)

球磨機機組圖及測點布置圖如圖1所示。

圖1 2130球磨機測點布置圖

球磨機測點定義如表2所示。

表2 2130再磨機測點位置標(biāo)示

利用振動診斷系統(tǒng)對球磨機進行振動診斷，診斷結(jié)果顯示7#測點，軸向出現(xiàn)二級報警，用軸向波形頻譜圖測量，7#測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 7#測點軸向加速度波形頻譜圖

通過觀察波形頻譜圖的區(qū)別可以發(fā)現(xiàn)，齒輪齒面隨著球磨機工作時間增加，出現(xiàn)點蝕、剝落、裂痕等局部損傷時，在波形圖中可看到有沖擊信號產(chǎn)生。當(dāng)齒輪磨損較為嚴重，齒輪之間的縫隙增大時，沖擊信號較為明顯[9]。該球磨機的特征頻率是以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制而成，在球磨機運行過程中，隨著故障的嚴重嚙合頻率的高倍頻或分數(shù)諧波的增加，該沖擊信號也越來越明顯。2130球磨機小齒輪參數(shù)如表3所示。

表3 2130再磨機小齒輪參數(shù)

在圖2的軸向加速度波形頻譜圖中看到大量的沖擊信號，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，在頻譜上較為突出的頻率是140 Hz，對應(yīng)的是2倍嚙合頻率。經(jīng)過上文敘述，特征頻率是以旋轉(zhuǎn)頻率為間隔嚙合頻率及其倍頻的調(diào)制而成，也就是說主導(dǎo)的故障特征頻率為嚙合頻率的高倍頻。當(dāng)該頻率波動較大，說明該球磨機的小齒輪磨損較為嚴重，大小齒輪間縫隙較大且齒面具有損傷。停機對小齒輪進行換面、磨修等工作后，振動沖擊信號明顯降低。

4 結(jié)語

本文從振動數(shù)據(jù)收集、頻譜分析及球磨機實驗對振動診斷技術(shù)進行探討。實驗結(jié)果表明，振動診斷技術(shù)是一種直接、高效、實時、故障范圍覆蓋廣的一種故障診斷方法，在選礦廠中有很多成功的案例。該技術(shù)特點在于，即便設(shè)備處于運行狀態(tài)，也能準(zhǔn)確判斷設(shè)備出現(xiàn)故障的部位以及故障的程度，能夠減少設(shè)備停機檢修時間，且在故障達到不可維修之前，對設(shè)備故障進行判斷，降低了維修的費用，避免了事故的發(fā)生，對提高企業(yè)的生產(chǎn)效率有積極的作用。同時，振動診斷方式還改變了傳統(tǒng)的維修思維，為今后改變設(shè)備狀態(tài)檢修和故障診斷方式提供了新的方向[10]。目前，振動診斷技術(shù)還在初步發(fā)展階段，還需要進一步探索、完善故障診斷和設(shè)備維修系統(tǒng)，為企業(yè)生產(chǎn)提供幫助。