攪拌主機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)研究

吳俊　王彥祺　樊永濤　楊向偉

摘 要：針對(duì)混凝土攪拌站實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化生產(chǎn)，攪拌主機(jī)需要更加高效與智能的實(shí)際需求，總結(jié)了現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)維技術(shù)存在的問題，提出了攪拌主機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)的組成。從數(shù)據(jù)采集展開介紹了攪拌站場(chǎng)景下數(shù)據(jù)采集方案，在信號(hào)處理、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)、維修決策和狀態(tài)評(píng)估等方面介紹了攪拌主機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)的整體運(yùn)行方案，為混凝土攪拌站攪拌主機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)提供了解決方法。

關(guān)鍵詞：攪拌主機(jī);預(yù)測(cè)性維護(hù);狀態(tài)評(píng)估

中圖分類號(hào)：U415? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）06-0050-03

0 引言

隨著工程機(jī)械智能化程度的不斷提升，對(duì)工程機(jī)械在線檢測(cè)和智能運(yùn)維的要求趨增，而預(yù)測(cè)性維護(hù)作為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)過程透明化的主要手段，在工程機(jī)械智能化發(fā)展過程中尤為重要。攪拌主機(jī)作為混凝土攪拌站的核心部件，該設(shè)備的運(yùn)行工況復(fù)雜，維修與保養(yǎng)通常為定期檢修或事后維修。定期檢修會(huì)導(dǎo)致過度維修，損失生產(chǎn)時(shí)間和產(chǎn)能，而事后維修往往在生產(chǎn)高峰期出現(xiàn)停產(chǎn)情況后維修，產(chǎn)生誤工成本，攪拌主機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

2018年，預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)首次提到列為智能制造關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。2021年，國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)智能中提到的智能賦能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下工業(yè)大數(shù)據(jù)及數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)[2]。開展攪拌主機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)研究，為工程機(jī)械充分賦能，全面看護(hù)攪拌站關(guān)鍵設(shè)備的需求變得更加迫切。本文就攪拌主機(jī)采集、監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)、決策等方面，探討攪拌主機(jī)的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)研究，旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率，降低設(shè)備維修成本。

1 預(yù)測(cè)性維護(hù)概述

攪拌主機(jī)維修是保證設(shè)備狀態(tài)完好的重要措施，一般可分為：事后維修、預(yù)防維修（即定期維修）和預(yù)測(cè)性維護(hù)三種方式[3]。這三種不同的維護(hù)方式也正是設(shè)備管理發(fā)展的三個(gè)階段，如表1所示。

長(zhǎng)期以來，攪拌主機(jī)設(shè)備普遍實(shí)行的是定期檢查、事后維修的檢修機(jī)制。而事實(shí)證明，多達(dá)60%的定期維修是沒有必要的。

預(yù)測(cè)性維護(hù)是在不影響設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和故障診斷等檢測(cè)故障發(fā)生前的機(jī)械狀態(tài)，并預(yù)測(cè)故障發(fā)生時(shí)間及發(fā)展趨勢(shì)，制定針對(duì)性維護(hù)計(jì)劃，使絕大部分故障在萌芽狀態(tài)得到處理，避免故障惡化，從而有效消除意外停機(jī)檢修，大大降低維修成本，以維護(hù)代替不必要的維修，降低維修頻次。

2 預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)組成

攪拌主機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)組成包含數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)、維修決策等內(nèi)容，如圖1所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集

在攪拌主機(jī)設(shè)備外殼上加裝壓電式加速度傳感器，傳感器安裝在靠近被測(cè)軸承最近的位置，如下進(jìn)行采集設(shè)置：

數(shù)據(jù)采集時(shí)長(zhǎng)：數(shù)據(jù)采樣時(shí)間越長(zhǎng)，采集的周期數(shù)越多，獲得旋轉(zhuǎn)信息越多。

采樣長(zhǎng)度原則：所測(cè)量部位旋轉(zhuǎn)16個(gè)周期以上?；炷翑嚢柚鬏S轉(zhuǎn)速為20 RPM，則需采集時(shí)長(zhǎng)為≥54 S。

采樣頻率：采樣頻率越高信號(hào)信息越多;數(shù)據(jù)量越大，無用信息越多。

采樣頻率原則：采樣頻率=分析上限頻率×2.56。

分析頻帶：頻帶越寬無用信息越多，采樣時(shí)間越長(zhǎng);頻帶窄，有可能丟失有用數(shù)據(jù)。

采樣頻帶范圍設(shè)置原則：滿足采樣定理;頻率分辨率適中;頻帶最寬為關(guān)心頻率的3倍以上。

濾波器原則：關(guān)注當(dāng)前測(cè)點(diǎn)關(guān)注的故障信息。例如判斷軸類故障，電機(jī)轉(zhuǎn)頻為18～30 Hz，我們可以選擇10～100 Hz為濾波器頻帶。

時(shí)域采集參數(shù)計(jì)算：

濾波器頻帶=下限頻率?上限頻率，采樣長(zhǎng)度=波形長(zhǎng)度，采樣時(shí)間=波形長(zhǎng)度÷（上限頻率×2.56），采樣周期數(shù)=采樣時(shí)間×機(jī)器轉(zhuǎn)速。

頻譜采集參數(shù)計(jì)算：

濾波器頻帶=下限頻率?上限頻率，采樣長(zhǎng)度=譜線數(shù)×2.56，采樣時(shí)間=譜線數(shù)÷上限頻率，采樣周期數(shù)=采樣時(shí)間×機(jī)器轉(zhuǎn)速。

2.2 信號(hào)處理

對(duì)攪拌主機(jī)的運(yùn)行模式通常為間歇性運(yùn)行，即周期性運(yùn)行。通過定時(shí)采集定長(zhǎng)波形數(shù)據(jù)，對(duì)歷史采集數(shù)據(jù)分別計(jì)算出采樣值，并對(duì)采樣值實(shí)現(xiàn)聚類分析，對(duì)停機(jī)、空載、負(fù)載三種狀態(tài)使用Kmeans算法聚類，再分別對(duì)空載、負(fù)載兩種工況下通過使用數(shù)字矢量濾波、積分電路、加窗、FFT（快速傅里葉變換）、調(diào)制解調(diào)等信號(hào)處理方式處理原始數(shù)據(jù)。

2.3 故障診斷技術(shù)

故障診斷，即在不停機(jī)或基本不拆卸設(shè)備的情況下，能實(shí)時(shí)定性地掌握設(shè)備狀態(tài)，了解設(shè)備異常或故障的原因，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)的技術(shù)。對(duì)于攪拌主機(jī)，即在攪拌主機(jī)不拆機(jī)的情況下，通過診斷攪拌主機(jī)在負(fù)載及空載運(yùn)行狀態(tài)下工況，對(duì)攪拌主機(jī)電機(jī)、減速機(jī)等關(guān)鍵部件進(jìn)行故障診斷。

本研究采用時(shí)頻診斷法結(jié)合統(tǒng)計(jì)診斷法、模糊診斷，對(duì)采樣值異常數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，異常數(shù)據(jù)定義為：超過閾值的采樣值或在時(shí)間上采樣值增速過大的數(shù)據(jù)。對(duì)異常時(shí)頻數(shù)據(jù)，通過軸系、軸承、齒輪、電機(jī)等部件特定故障識(shí)別規(guī)則，生成故障診斷結(jié)論。

2.4 狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)

狀態(tài)預(yù)測(cè)即通過對(duì)設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)的溫度、振動(dòng)、噪聲、潤滑油厚度等各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)與分析，及早發(fā)現(xiàn)故障，從而采取主動(dòng)預(yù)防措施，把故障消滅在萌芽狀態(tài)。

狀態(tài)預(yù)測(cè)常用的方法有時(shí)序模型預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法、模式識(shí)別預(yù)測(cè)法等。預(yù)測(cè)方法的開發(fā)一般通過物理模型、知識(shí)系統(tǒng)和統(tǒng)計(jì)模型三種途徑綜合分析判斷。本文采用時(shí)序模型預(yù)測(cè)法對(duì)攪拌主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)預(yù)估，盡早發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，對(duì)設(shè)備整體運(yùn)行工況進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)。

2.5 維修決策技術(shù)

維修決策整體方案為根據(jù)攪拌主機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備剩余使用壽命，智能提醒客戶進(jìn)行備品備件儲(chǔ)存，降低庫存成本、避免缺件等待?；跀嚢柚鳈C(jī)設(shè)備從生產(chǎn)效率、生產(chǎn)計(jì)劃、檢修費(fèi)用、運(yùn)行周期等多維度出發(fā)，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行維修可行性分析，指定合理的維修計(jì)劃，達(dá)到降低定期檢修成本的效果。

3 攪拌主機(jī)狀態(tài)評(píng)估

目前旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)目前常用標(biāo)準(zhǔn)為ISO標(biāo)準(zhǔn)。ISO標(biāo)準(zhǔn)中，ISO10816-3適用于通用機(jī)械的振動(dòng)測(cè)量和評(píng)價(jià)[4]。目前，VDI3834是世界上唯一一種專門針對(duì)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[5]。另外API610也對(duì)機(jī)泵振動(dòng)做出了要求，在石化行業(yè)應(yīng)用廣泛[6]。針對(duì)通用減速機(jī)，減速箱沒有專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國標(biāo)GB/T6404.2-2005有減速機(jī)的出廠要求，可作為參考[7]。目前攪拌站主機(jī)沒有專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可用ISO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考。

ISO10816-3測(cè)量振動(dòng)速度，采用振動(dòng)速度的有效值（即振動(dòng)烈度）作為特征參數(shù)，單位為毫米每秒（mm/s），如圖2：

ISO10816-3標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備按照功率大小、轉(zhuǎn)軸高度和安裝方式分成四種類型，并針對(duì)每種類型規(guī)定了不同的邊界值，用來判別設(shè)備的運(yùn)行狀況。

攪拌主機(jī)屬于該標(biāo)準(zhǔn)中第二組情況，額定功率通常為55～75 kW范圍左右，符合額定功率大于15 kW且小于300 kW的中型機(jī)器，轉(zhuǎn)軸高度在250 mm左右，在160～315 mm的高度范圍。

ISO10816-3標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備的運(yùn)行狀況分為ABCD四種，分別用空白格、斜線格、井字格、交叉網(wǎng)格表示，并規(guī)定了各個(gè)運(yùn)行狀況的邊界值。

針對(duì)攪拌主機(jī)運(yùn)行工況下的多種場(chǎng)景，對(duì)A類運(yùn)行工況的數(shù)字積分速度閾值在0～2 mm/s左右，表示振動(dòng)速率正常，機(jī)器正常運(yùn)行;對(duì)B類運(yùn)行工況的數(shù)字積分速度閾值在2～4.5 mm/s左右，表示振動(dòng)速率有輕微影響，機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)保持監(jiān)控;對(duì)C類運(yùn)行工況的數(shù)字積分速度閾值在4.5～7 mm/s左右，表示振動(dòng)速率有中度影響，機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)要保持嚴(yán)密監(jiān)控，并擇機(jī)檢修;對(duì)D類運(yùn)行工況的數(shù)字積分速度閾值在大于7 mm/s以上，機(jī)器不建議長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行，并在一個(gè)星期內(nèi)盡快停機(jī)檢修。

由于攪拌主機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行條件的多樣性，制定監(jiān)控系統(tǒng)保護(hù)機(jī)器的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、等級(jí)和準(zhǔn)則是不可能的。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)初期，我們根據(jù)國際以及國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給定一個(gè)狀態(tài)報(bào)警閾值，然后觀察設(shè)備的運(yùn)行情況，一段時(shí)間后根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況和設(shè)備運(yùn)行的振動(dòng)趨勢(shì)，再閾值對(duì)現(xiàn)有閾值進(jìn)行微調(diào)，保證用戶在使用攪拌主機(jī)時(shí)受干擾最小，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益最大。

4 總結(jié)

在工業(yè)智能發(fā)展的潮流中，混凝土攪拌站已經(jīng)走在了智能化和無人化的方向上，要實(shí)現(xiàn)最終的生產(chǎn)、運(yùn)維無人化，混凝土攪拌站仍需要繼續(xù)深入研究。攪拌主機(jī)設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)作為支撐混凝土攪拌站運(yùn)維無人化的關(guān)鍵一環(huán)，仍面臨巨大挑戰(zhàn)。在攪拌站場(chǎng)景下，現(xiàn)階段做到對(duì)攪拌主機(jī)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在設(shè)備故障早期的精準(zhǔn)定位及智能保養(yǎng)提醒，足以對(duì)攪拌行業(yè)起到引領(lǐng)作用。而在后續(xù)的研究中，可以繼續(xù)以提高攪拌主機(jī)的可靠性和可用性，降低設(shè)備的維護(hù)成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量為核心，最終服務(wù)于智能制造。

參考文獻(xiàn)

[1] 工業(yè)和信息化部，國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018版）[Z].北京：國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2018.

[2] 工業(yè)和信息化部，國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2021版）[Z].北京：國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2021.

[3] 王春喜，王成城，王凱.智能制造裝備預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2021（2）：15-21.

[4] ISO 10816-3：2009， Mechanical vibration—Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts — Part 3： Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min when measured in situ — Amendment 1[S]. ISO standards，2017.

[5] VDI 3834， Measurement and evaluation of the mechanical vibration of wind turbines and their components - Wind turbines with gearbox[S]. Engl. VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung，2015.

[6] API STD 610， January 2021-Centrifugal Pumps for Petroleum[S]. American Petroleum Institute（API），2021.

[7] GB/T 6404.2-2005，齒輪裝置的驗(yàn)收規(guī)范 第2部分：驗(yàn)收試驗(yàn)中齒輪裝置機(jī)械振動(dòng)的測(cè)定[S].中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2005.