礦用振動(dòng)篩異常振動(dòng)的故障診斷系統(tǒng)研究

任雯輝

（臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到煤礦的開采中。在煤礦開采后，由于夾雜著較多的碎石及其他雜質(zhì)，需要通過專門的設(shè)備對(duì)其進(jìn)行洗選分離[1]。振動(dòng)篩是實(shí)現(xiàn)煤礦洗選分離工藝的關(guān)鍵設(shè)備，主要負(fù)責(zé)原煤分級(jí)、洗后分級(jí)脫水及脫介質(zhì)等作用。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，振動(dòng)篩經(jīng)常出現(xiàn)橫擺、振動(dòng)劇烈、部件松動(dòng)、煤料跑偏等故障現(xiàn)象，振動(dòng)篩實(shí)物圖如圖1所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2016年，某洗煤廠就有60多起因振動(dòng)篩故障而引起的系統(tǒng)停機(jī)維修的事故，這給煤礦的高效開采及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益構(gòu)成了嚴(yán)重影響[1-2]。因此，將當(dāng)前更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到設(shè)備故障診斷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的故障診斷檢測(cè)，提高診斷系統(tǒng)的自動(dòng)化及智能化水平，是當(dāng)前企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)方向。為此，結(jié)合振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展了振動(dòng)篩中故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，并對(duì)該診斷系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性及可行性，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 振動(dòng)篩實(shí)物圖

1 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)組成及異常振動(dòng)分析

根據(jù)市場(chǎng)上振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可知其結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、隔振系統(tǒng)、激振系統(tǒng)、篩體等組成，其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過萬(wàn)向軸聯(lián)軸器與激振器進(jìn)行相互連接[3]。激振系統(tǒng)則主要由偏心塊、齒輪、密封圈、軸等組成，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生不同大小的持續(xù)振動(dòng)動(dòng)力。根據(jù)振動(dòng)篩的使用情況，其在運(yùn)行時(shí)由于加工精度的不準(zhǔn)、摩擦力矩的不同、彈簧剛度的不一致等因素，導(dǎo)致了振動(dòng)篩出現(xiàn)了異常振動(dòng)現(xiàn)象[4]。異常振動(dòng)主要形式包括偏擺、運(yùn)動(dòng)紊亂、煤料跑偏等。同時(shí)，由于振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率有高有低，較低頻率會(huì)使設(shè)備兩側(cè)板出現(xiàn)扭振和橫向扭擺現(xiàn)象，較高頻率則會(huì)使篩箱出現(xiàn)復(fù)雜的彈性性振動(dòng)，將會(huì)出現(xiàn)彎曲、橫向、縱向的振動(dòng)現(xiàn)象[5]。為此，在故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需在箱體與四角支撐彈簧的聯(lián)結(jié)點(diǎn)處安裝相應(yīng)的加速度傳感器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)箱體X、Y、Z方向的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及振動(dòng)情況，開展了該設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。所設(shè)計(jì)的診斷系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、遠(yuǎn)程控制中心、數(shù)據(jù)分析模塊、工控機(jī)、顯示屏等組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)振動(dòng)篩作業(yè)過程出現(xiàn)的異常故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷；其中，診斷系統(tǒng)的硬件部分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡選用了NI公司的高速采集卡及MOXA的多串口智能電量采集卡，主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集[6]。傳感器則選用了4個(gè)振動(dòng)加速度傳感器、2個(gè)溫度傳感器及1個(gè)電量傳感器等，振動(dòng)傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備X、Y、Z軸方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；溫度傳感器則固定在激振器上的溫度進(jìn)行檢測(cè)；電量傳感器則主要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓及電流參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。整套系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)采集、故障診斷、診斷報(bào)警及數(shù)據(jù)管理存儲(chǔ)等功能，所有采集數(shù)據(jù)能定時(shí)及時(shí)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中；當(dāng)檢測(cè)到相關(guān)參數(shù)出現(xiàn)超限情況時(shí)，該系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示，并通過顯示屏進(jìn)行故障的實(shí)時(shí)顯示，人員可根據(jù)故障情況快速進(jìn)行故障排除維修。另外，選用了金屬磁記憶檢測(cè)設(shè)備對(duì)振動(dòng)篩箱的裂紋進(jìn)行探傷檢測(cè)，測(cè)量范圍為±2 000 A/m。最大測(cè)量步長(zhǎng)為128 mm。也實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)篩的遠(yuǎn)程監(jiān)控訪問，方便了后期對(duì)系統(tǒng)的集中管理及數(shù)據(jù)收集。故障診斷系統(tǒng)的功能框架圖如圖2所示。

圖2 故障診斷系統(tǒng)的功能框架圖

2.2 振動(dòng)傳感器匹配設(shè)計(jì)

由于振動(dòng)篩作業(yè)時(shí)將產(chǎn)生較大幅度的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，這將導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)極容易出現(xiàn)振動(dòng)失效或局部松動(dòng)等現(xiàn)象，故需選用振動(dòng)傳感器，以此來完成對(duì)振動(dòng)篩振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。故選用了市場(chǎng)上成熟的IEPE型壓電式振動(dòng)傳感器。該傳感器安裝孔在中間部位，能同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上X、Y、Z方向的振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。其原理為利用壓電效應(yīng)，在受到外部作用力后，利用儀器接觸表面的電場(chǎng)變化來對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。振動(dòng)傳感器加速度測(cè)量范圍為0~250g，工作電壓為DC 18~28 V，軸向靈敏度為20 mV/g，工作電流為2~10 mA。結(jié)合振動(dòng)篩情況，選用了4個(gè)振動(dòng)傳感器，主要安裝在振動(dòng)篩左前彈簧上的五個(gè)區(qū)域，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖如圖3所示。

圖3 振動(dòng)傳感器安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

2.3 激振器軸承監(jiān)測(cè)

激振器主要安裝在振動(dòng)篩的側(cè)板上，在作業(yè)時(shí)將受到來自振動(dòng)篩反向的較大作用力，所受載荷較大；同時(shí)，由于軸承的摩擦相對(duì)較大，也會(huì)使激振器軸承溫度較高，故需對(duì)軸承振動(dòng)及溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。故選用了紅外溫度傳感器，并將其固定在電機(jī)軸承座上，利用傳感器上激光頭來檢測(cè)軸承外圈溫度；同時(shí)，振動(dòng)加速度傳感器也固定在軸承座位置，以此檢測(cè)軸承的振動(dòng)情況。激振器軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖如圖4所示。

圖4 激振器軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖

2.4 遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，有效將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)等進(jìn)行結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制的發(fā)展方向。為此，在此故障診斷系統(tǒng)中，采用了Lab-VIEW軟件進(jìn)行發(fā)布在診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，利用B/S網(wǎng)絡(luò)模式，進(jìn)行系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)。通訊協(xié)議則采用了TCP/IP協(xié)議通訊，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)則利用Web進(jìn)行發(fā)布，用戶端上通過安裝的瀏覽器，輸入相應(yīng)的IP地址，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的地址訪問。Web服務(wù)器的界面圖如圖所示。為有效避免與其他控制系統(tǒng)的HTTP端口相互干涉，在程序中設(shè)計(jì)了一個(gè)1024端口號(hào)來解決此問題。Web服務(wù)器配置對(duì)話框如圖5所示。

圖5 Web服務(wù)器配置對(duì)話框

3 故障診斷系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證

在完成振動(dòng)篩故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)后，為驗(yàn)證該系統(tǒng)的綜合性能，將該系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試周期為6個(gè)月。在測(cè)試過程中，首先將相關(guān)的傳感器及其他儀器安裝在振動(dòng)篩上。通過測(cè)試得出；該監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地將振動(dòng)、溫度及電量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷和顯示，振動(dòng)篩中的彈簧一致性也相對(duì)穩(wěn)定；同時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)的超限報(bào)警情況也正常顯示，人員僅需根據(jù)故障提示，對(duì)振動(dòng)篩的故障現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)維修，故障排除時(shí)間大大縮短。另外，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)也能及時(shí)進(jìn)行保護(hù)，并根據(jù)需求繪制成歷史變化曲線。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員介紹，該故障診斷系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅提高了振動(dòng)篩的故障診斷效率，也降低了設(shè)備的故障發(fā)生率，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也大大降低，得到了人員的一致好評(píng)和認(rèn)可，達(dá)到了預(yù)期效果。由此，驗(yàn)證了該故障診斷系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷對(duì)振動(dòng)篩的故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效診斷，降低設(shè)備的故障發(fā)生率，是當(dāng)前控制系統(tǒng)不斷升級(jí)改進(jìn)的重要任務(wù)。為此，結(jié)合振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及異常振動(dòng)情況，開展了振動(dòng)篩故障診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)研究，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了為期6個(gè)月的應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：該故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，故障診斷功能更全面，能精準(zhǔn)地將所采集的振動(dòng)篩相關(guān)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，大大降低了設(shè)備的故障發(fā)生率和故障檢修時(shí)間，人員勞動(dòng)強(qiáng)度也明顯降低。這為下一步制定振動(dòng)篩的維修升級(jí)措施提供了重要指導(dǎo)和保證。