在線監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用研究

劉成玉

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000）

1 工程概況

山東新巨龍能源有限責(zé)任公司（以下簡稱“新巨龍能源公司”）位于山東省菏澤市巨野縣龍固鎮(zhèn)，東距巨野縣城約20 km，西距菏澤市40 km。井田位于巨野煤田中南部，井田面積180 km2，煤炭資源儲(chǔ)量16.83 億t。主采煤層平均厚度7.03 m，煤層賦存穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，適合于重裝機(jī)械化、高效集約化開采，核定生產(chǎn)能力780 萬t/a。

新巨龍能源公司采用帶式輸送機(jī)進(jìn)行原煤運(yùn)輸，帶式輸送機(jī)及機(jī)電設(shè)備是新巨龍能源公司的核心設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性是保證煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)，必須對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)運(yùn)行故障進(jìn)行有效診斷，對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行維修和保養(yǎng)。該公司以往帶式輸送機(jī)軸承監(jiān)測(cè)采用紅外溫度儀定期監(jiān)測(cè)，從近年來監(jiān)測(cè)實(shí)踐可知，帶式輸送機(jī)軸承采用單一溫度監(jiān)測(cè)方法，難以完成設(shè)備安全監(jiān)測(cè)和早期預(yù)警重任，帶式輸送機(jī)多次發(fā)生因軸承問題導(dǎo)致運(yùn)行安全事故，該監(jiān)測(cè)方法只在即將出現(xiàn)較嚴(yán)重故障時(shí)軸承溫度才會(huì)急劇上升。因此，有必要構(gòu)建一種新型在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)[1-6]，對(duì)帶式輸送機(jī)電機(jī)、滾筒等關(guān)鍵設(shè)備振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行維修，為保障帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)。

2 新型在線診斷技術(shù)及振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)分析儀設(shè)計(jì)

2.1 新型在線診斷技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1.1 小波包濾波技術(shù)

小波分析是一種時(shí)頻分析方法，在時(shí)頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力。在小波分析理論基礎(chǔ)上發(fā)展形成了小波包分析，小波包分析可以為信號(hào)提供更加精細(xì)的分析。小波包分析中信號(hào)劃分更精細(xì)，可對(duì)頻帶部分多層次劃分，實(shí)現(xiàn)低頻和高頻的分解，基于分析信號(hào)特征自動(dòng)進(jìn)行頻帶的匹配，時(shí)頻分辨率大幅度提高。

在煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行故障診斷過程中，煤礦帶式輸送機(jī)部件發(fā)生故障后，各部件基于自身結(jié)構(gòu)差異因素產(chǎn)生信號(hào)含非平穩(wěn)成分?？衫眯〔ò治龇椒▽捷斔蜋C(jī)零部件含有大量非平穩(wěn)成分信號(hào)進(jìn)行分解，進(jìn)而進(jìn)行濾波處理，可有效提取軸承故障特征。

離散信號(hào)的小波包分解算法：

其中：pk、qk為小波包重構(gòu)共軛濾波器系數(shù)。

2.1.2 故障定量識(shí)別技術(shù)

帶式輸送機(jī)振動(dòng)信號(hào)經(jīng)小波包濾波后，脈沖沖擊法處理，對(duì)帶式輸送機(jī)故障進(jìn)行定量識(shí)別診斷。當(dāng)金屬球與金屬板相撞的瞬間，會(huì)產(chǎn)生以壓力波形式從碰撞點(diǎn)向外傳遞并呈脈沖狀態(tài)的沖擊脈沖，沖擊脈沖最大幅值會(huì)較大但其持續(xù)時(shí)間非常短，會(huì)很快衰減，因此其頻率范圍很寬。若金屬板的某階固有頻率落在其頻率范圍內(nèi)，則會(huì)激起金屬板該固有頻率的衰減振動(dòng)，這即是共振，沖擊脈沖表現(xiàn)為斷續(xù)特征，沖擊脈沖的強(qiáng)弱可用來反映相撞故障的嚴(yán)重程度。帶式輸送機(jī)軸承故障定量識(shí)別可采用沖擊脈沖法，并采用分貝值進(jìn)行尺度衡量，可有效地對(duì)帶式輸送機(jī)軸承整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。當(dāng)分貝（dB）值小于21 時(shí)，表明帶式輸送機(jī)軸承工作狀態(tài)良好；當(dāng)分貝（dB）值大于21 但小于35 時(shí)，表明帶式輸送機(jī)軸承處于故障早期，軸承出現(xiàn)有早期損傷現(xiàn)象；當(dāng)分貝（dB）值大于35 小于60 時(shí)，表明此時(shí)帶式輸送機(jī)軸承已處于嚴(yán)重故障時(shí)期，軸承出現(xiàn)有明顯的嚴(yán)重?fù)p傷。

2.2 振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)分析儀設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)有SK-V201 型智能振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)儀對(duì)帶式輸送機(jī)軸承振動(dòng)及軸承溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視和測(cè)量，對(duì)設(shè)備工作情況進(jìn)行分析和維護(hù)。SK-V201 型智能振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)儀總體設(shè)計(jì)方案如圖1，采用ARM+DSP 的雙核處理架構(gòu)。

圖1 SK-V201 型智能振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)儀設(shè)計(jì)方案

SK-V201 型智能振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)儀采用光纖振動(dòng)傳感器和溫度傳感器對(duì)帶式輸送機(jī)電機(jī)、滾筒軸承等關(guān)鍵部件振動(dòng)、溫度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采集的振動(dòng)、溫度參數(shù)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換模塊后，通過SPI 總線進(jìn)入DSP 處理器處理，可及時(shí)掌握設(shè)備發(fā)生故障的類型和嚴(yán)重程度。DSP 處理器完成故障診斷后將振動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果上傳，通過ARM 處理器完成顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信處理、數(shù)據(jù)備份轉(zhuǎn)存等功能。

3 在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 運(yùn)行工區(qū)井下鋼芯帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)

新巨龍能源公司運(yùn)行工區(qū)井下鋼芯帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)情況如下所述：

1）C2 一部帶式輸送機(jī)測(cè)點(diǎn)分布：滾筒數(shù)量測(cè)點(diǎn)12，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)24，振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)24；電動(dòng)機(jī)、減速器、耦合器數(shù)量測(cè)點(diǎn)3，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)均為6。

2）C2 二部帶式輸送機(jī)測(cè)點(diǎn)分布：滾筒數(shù)量測(cè)點(diǎn)8，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)16，振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)16；電動(dòng)機(jī)、減速器、耦合器數(shù)量測(cè)點(diǎn)2，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)均為4。

3）3105 一部帶式輸送機(jī)測(cè)點(diǎn)分布：滾筒數(shù)量測(cè)點(diǎn)12，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)24，振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)24；電動(dòng)機(jī)、減速器、耦合器數(shù)量測(cè)點(diǎn)3，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)均為6。

4）3105 二部帶式輸送機(jī)測(cè)點(diǎn)分布：滾筒數(shù)量測(cè)點(diǎn)11，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)22，振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)22；電動(dòng)機(jī)、減速器、耦合器數(shù)量測(cè)點(diǎn)4，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)均為8。

5）5103 一部帶式輸送機(jī)測(cè)點(diǎn)分布：滾筒數(shù)量測(cè)點(diǎn)10，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)20，振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)20；電動(dòng)機(jī)、減速器、耦合器數(shù)量測(cè)點(diǎn)3，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)均為6。

6）S1 帶式輸送機(jī)測(cè)點(diǎn)分布：滾筒數(shù)量測(cè)點(diǎn)11，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)22，振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)22；電動(dòng)機(jī)、減速器、耦合器數(shù)量測(cè)點(diǎn)4，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)均為8。

7）S2 帶式輸送機(jī)測(cè)點(diǎn)分布：滾筒數(shù)量測(cè)點(diǎn)9，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)18，振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)18；電動(dòng)機(jī)、減速器、耦合器數(shù)量測(cè)點(diǎn)4，溫度數(shù)量測(cè)點(diǎn)和振動(dòng)數(shù)量測(cè)點(diǎn)均為8。

3.2 帶式輸送機(jī)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新巨龍能源公司帶式輸送機(jī)軸承在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖2。采用振動(dòng)、溫度傳感器獲取帶式輸送機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)中振動(dòng)、溫度信號(hào)，利用DSP 運(yùn)行軸承在線監(jiān)測(cè)診斷分析軟件對(duì)軸承故障類型和嚴(yán)重程度進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，將診斷結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸至地面監(jiān)測(cè)站。

圖2 帶式輸送機(jī)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3.3 實(shí)例分析

2021 年6 月，帶式輸送機(jī)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新巨龍能源公司C2 一部帶式輸送機(jī)出現(xiàn)滾筒軸承溫度偏高預(yù)警。利用在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)導(dǎo)出其報(bào)警振動(dòng)信號(hào)，對(duì)該振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解后，得到第1層細(xì)節(jié)信號(hào)并進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)分析，如圖3所示。包絡(luò)解調(diào)譜中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頻率及其2倍頻（2f）處出現(xiàn)大峰值，判定本次C2 一部帶式輸送機(jī)滾筒軸承振動(dòng)劇烈的故障調(diào)制頻率。

圖3 C2 一部帶式輸送機(jī)報(bào)警信號(hào)的第1 層細(xì)節(jié)信號(hào)及其包絡(luò)譜

對(duì)C2 一部帶式輸送機(jī)所處巷道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，基于巷道下沉導(dǎo)致軸承內(nèi)圈與軸兩者軸心線不重合。找到C2 一部帶式輸送機(jī)滾筒軸承溫度偏高預(yù)警發(fā)生的原因后，采取了針對(duì)性的處理措施，有效解決了軸承內(nèi)圈與軸配合不當(dāng)?shù)膯栴}，滾筒軸承溫度偏高預(yù)警消失。當(dāng)前C2 一部帶式輸送機(jī)運(yùn)行良好。

4結(jié)論

以小波包濾波技術(shù)與故障定量識(shí)別技術(shù)為核心，采用DSP+ARM 雙核處理系統(tǒng)的SK-V201 型智能振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)保護(hù)儀，構(gòu)建新巨龍能源公司運(yùn)行工區(qū)井下帶式輸送機(jī)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)采用振動(dòng)、溫度傳感器對(duì)滾筒軸承振動(dòng)、溫度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)故障類型和嚴(yán)重程度進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，實(shí)踐應(yīng)用效果理想。