振動監(jiān)測在金屬礦山設(shè)備管理中的應(yīng)用

溫學(xué)鵬

（招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦，山東煙臺 265400）

0 引言

近年來大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展趨勢更加成熟，在礦山層面開展了提升系統(tǒng)、選礦系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、充填系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、安監(jiān)系統(tǒng)等方面的建設(shè)及推廣，礦山智能化水平不斷提高。在設(shè)備管理方面除了應(yīng)用先進的管理體系，實現(xiàn)設(shè)備健康狀況的在線監(jiān)測和診斷也是進一步提升設(shè)備管理書評的重要途徑，其中振動監(jiān)測是監(jiān)測設(shè)備穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的重要參考依據(jù)。振動監(jiān)測系統(tǒng)主要由振動加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、帶有分析軟件和數(shù)據(jù)庫的CMS服務(wù)器、電腦客戶端等組成。振動監(jiān)測系統(tǒng)的功能是通過頻譜分析和加速度包絡(luò)分析，可以診斷如不平衡、不對中、松動、聯(lián)軸器故障、摩擦、軸承損傷、齒輪磨損、斷齒、電機電氣故障、結(jié)構(gòu)共振等常見機械故障，予以預(yù)測和報警以實現(xiàn)對設(shè)備進行保護[1-2]。

金屬礦山需進行振動監(jiān)測的設(shè)備主要涉及水泵、圓錐破碎機、球磨機、渣漿泵等，本次項目是在對設(shè)備實行多元振動監(jiān)測及傳感器的信息數(shù)據(jù)采集后，通過控制中心的界面對設(shè)備振動形態(tài)與數(shù)據(jù)實現(xiàn)在線顯示和監(jiān)控，對波形和頻譜變異性的異形數(shù)據(jù)進行提取，將其與設(shè)備故障等級形態(tài)及數(shù)據(jù)進行比較，實現(xiàn)對設(shè)備故障的早期診斷，尤其是實現(xiàn)對設(shè)備突發(fā)性故障的即刻診斷與保護。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)振動異常時，智能系統(tǒng)將對異常設(shè)備擔(dān)負的工藝進行合理處置，包括對上下游涉及的工藝處理，有備用則切換備用設(shè)備，無備用設(shè)備則根據(jù)故障類型及程度實行報警或關(guān)閉故障設(shè)備報警[3-4]。在保證設(shè)備安全的同時，對生產(chǎn)流程工藝及設(shè)施實行最大限度的保護，避免造成工藝流程的混亂及減小生產(chǎn)恢復(fù)的處理難度。

1 振動監(jiān)測設(shè)備安裝

振動監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元位于設(shè)備現(xiàn)場，實現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)的采集、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能，并將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。服務(wù)器位于PLC 室的網(wǎng)絡(luò)機柜內(nèi)，主要負責(zé)接收數(shù)據(jù)采集單元上傳的數(shù)據(jù)并存儲、運行可視化界面程序并實時顯示機組振動狀態(tài)、在線分析機組振動狀態(tài)，可提供外連實時數(shù)據(jù)分析接口以及歷史數(shù)據(jù)管理功能。

表1 中設(shè)備均為滾動軸承設(shè)備，主要通過振動加速度傳感器監(jiān)測軸承部位高中低頻的振動狀態(tài)，通過長期的趨勢監(jiān)測跟蹤設(shè)備的狀態(tài)變化。

表1 初步設(shè)置監(jiān)測的設(shè)備情況

2 測點布置及監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1 設(shè)備監(jiān)測點布置

測點的布置由專業(yè)工程師根據(jù)經(jīng)驗確定，積累一段時間的數(shù)據(jù)后，可根據(jù)振動信號的實際情況進一步優(yōu)化測點位置。根據(jù)設(shè)備分布情況，設(shè)置10 個現(xiàn)場監(jiān)控箱，各現(xiàn)場監(jiān)控箱通過交換機接入服務(wù)器。對應(yīng)的測點有：電機非驅(qū)動端垂直、電機驅(qū)動端垂直、泵非驅(qū)動端水平、泵非驅(qū)動端垂直、泵驅(qū)動端水平、泵入口端軸向，每個位置設(shè)2 個傳感器，傳感器型號為AS-062。

2.2 監(jiān)測變量

振動監(jiān)測軟件共有5 個振動變量，分別為ISO 通頻值、加速度包絡(luò)值、高頻總值、加速度峰值、1～1000 Hz 速度值。其中，ISO通頻值是振動大小判斷的標(biāo)準(zhǔn)，代表監(jiān)測點振動烈度；加速度包絡(luò)值對軸承齒輪的早期磨損等故障檢測較敏感；高頻總值是波形數(shù)據(jù)的總體計算，輔助于一些復(fù)雜情況的振動分析；加速度峰值是運動的加速度最大絕對值，用于輔助一些復(fù)雜情況的振動分析；1～1000 Hz 速度值是原始波形進行濾波下進行頻譜分析，可以避免其他干擾。另外，ISO 通頻值是直觀振動大小變量的，而其他4 個值是配合振動頻譜分析所需要的。

3 振動監(jiān)測系統(tǒng)運行及應(yīng)用

振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件為VbStone 智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要負責(zé)對生產(chǎn)過程的設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，為使用者提供設(shè)備的運行狀態(tài)分析。

3.1 系統(tǒng)對振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用

控制系統(tǒng)利用設(shè)備振動監(jiān)測，通過對趨勢跟蹤及對不同特征值類型和對設(shè)備故障的預(yù)測級別的診斷報警，利用某些設(shè)備監(jiān)測的振動特征量可對工藝狀態(tài)實行輔助判斷與識別。如控制系統(tǒng)利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對球磨機實時監(jiān)測的振動特征量分析：通過設(shè)備內(nèi)介質(zhì)沖擊的頻譜數(shù)據(jù)，對球磨機的礦石裝載量狀態(tài)進行判別佐證，有利于選礦智能系統(tǒng)對工藝狀況實行多側(cè)面的監(jiān)測與分析，進而對工藝實行準(zhǔn)確的判定識別，更有利于對工藝的的控制優(yōu)化。通過TCP/IP 協(xié)議，使用數(shù)據(jù)庫通訊，控制系統(tǒng)與振動監(jiān)測系統(tǒng)已實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)通、畫面移植，主要應(yīng)用工段有破碎、磨浮、二級泵，主要安裝設(shè)備有破碎工段的破碎機組（HP300圓錐破碎機、HP500 圓錐破碎機）、二級泵站渣漿機組（東渣漿泵、西渣漿泵）、磨浮球磨機組（4060 球磨機、3660 球磨機）、磨浮渣漿機組（東臺原礦泵、西臺原礦泵、北臺全尾泵、南臺全尾泵）五大機組，檢測設(shè)備共10 臺。

3.2 設(shè)備監(jiān)控總覽

登陸后進入設(shè)備健康總覽頁面，默認(rèn)顯示第一個設(shè)備的運行狀態(tài)，點擊左側(cè)機組選項可看查看所選機組每個設(shè)備下的測點連接、運行和健康狀態(tài)。同時，用戶可以通過單擊測點，進入到測點的設(shè)備總貌監(jiān)視（狀態(tài)分為正常、中斷、運行、停止4 種，健康狀態(tài)分為嚴(yán)重、較嚴(yán)重、中度、輕微正常4 種）。

3.3 設(shè)備總貌監(jiān)視

單擊設(shè)備總貌監(jiān)視按鈕，可以查看設(shè)備下各個測點的運行狀態(tài)，可以選擇不同測點來查看它的運行的歷史告警信息。選中一條告警信息，下面的列表框會顯示詳細的告警原因，包括自動診斷結(jié)果（自動診斷根據(jù)各個變量的運行狀態(tài)計算得出）。

3.4 設(shè)備實時監(jiān)視及振動趨勢分析

設(shè)備實時監(jiān)控顯示設(shè)備下各個測點實時的運行值，每秒更新一次，可通過點擊具體設(shè)備進行對設(shè)備各個測點的檢測查看。設(shè)備趨勢分析顯示設(shè)備下各個測點的最近運行歷史值（1000 個數(shù)值）。

3.5 圖譜分析及設(shè)備歷史數(shù)據(jù)

圖譜分析分析顯示一個設(shè)備的運行圖譜。選中圖譜分析，選擇要分析的測點，首先顯示測點的運行時間點測得值的趨勢圖，單擊趨勢圖的一個具體的值的點，可以顯示該值對應(yīng)的圖譜信息，通過圖譜信息可以分析運行過程中的數(shù)值變化。單擊設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，可以查看測點下各個變量運行的歷史數(shù)據(jù)信息。歷史數(shù)據(jù)為統(tǒng)計信息，每隔1 h 統(tǒng)計前一小時內(nèi)變量的最大值、最小值和平均值，并且根據(jù)平均值計算變量的運行狀態(tài)。

4 診斷實例

以東臺渣漿泵為例進行應(yīng)用效果分析。從振動頻譜上可以判斷，電機為變頻電機，本次數(shù)據(jù)采集時轉(zhuǎn)速為612 r/min，轉(zhuǎn)頻為10.2 Hz。各測點的狀態(tài)分析如下：

（1）電機的非驅(qū)動端和驅(qū)動端的垂直振動值正常，各轉(zhuǎn)頻諧波都在正常范圍之內(nèi)，說明設(shè)備平衡和對中狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)軸承缺陷頻率，設(shè)備狀態(tài)正常（圖1）。

圖1 電機非驅(qū)動端和驅(qū)動端垂直頻譜圖

（2）泵非驅(qū)動端水平和垂直方向振動值正常，振動值正常，各轉(zhuǎn)頻諧波都在正常范圍之內(nèi)，設(shè)備平衡和對中狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)軸承缺陷頻率，設(shè)備狀態(tài)正常。但水平方向的頻譜中輕微邊帶成分，可能是物料沖擊影響（圖2）。

圖2 泵非驅(qū)動端水平和垂直頻譜圖

（3）泵驅(qū)動端水平方向振動值正常，各轉(zhuǎn)頻諧波都在正常范圍之內(nèi)，設(shè)備平衡和對中狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)軸承缺陷頻率，頻譜中輕微邊帶成分，可能是物料沖擊影響，設(shè)備狀態(tài)正常（圖3）。

圖3 泵驅(qū)動端水平頻譜圖

（6）泵入口端軸向振動值正常，各轉(zhuǎn)頻諧波都在正常范圍之內(nèi)，設(shè)備平衡和對中狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)軸承缺陷頻率，頻譜中輕微邊帶成分，可能是物料沖擊影響，設(shè)備狀態(tài)正常（圖4）。

圖4 泵入口端軸向頻譜圖

5 結(jié)論

振動監(jiān)測系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了對主要設(shè)備的監(jiān)控與故障預(yù)警功能，對各個設(shè)備監(jiān)測點的振動報警值已根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置，但后續(xù)還需根據(jù)礦山設(shè)備使用的數(shù)據(jù)積累來對報警上下限值進行修正。