加速度傳感器的振動(dòng)篩螺栓松動(dòng)故障診斷系統(tǒng)

朱來(lái)發(fā) 金花雪 范偉 劉斌

摘要： 針對(duì)GLS10型直線(xiàn)振動(dòng)篩彈簧緊固螺栓松動(dòng)故障，結(jié)合軟件LABVIEW和NIUSB-6363數(shù)據(jù)采集卡，構(gòu)建一種基于加速度傳感器的振動(dòng)篩螺栓松動(dòng)故障診斷系統(tǒng)。通過(guò)擰松固定螺栓個(gè)數(shù)的方法，模擬振動(dòng)篩彈簧懸臂梁固定端松動(dòng)故障。結(jié)果表明：當(dāng)振動(dòng)篩懸梁臂固定端松動(dòng)時(shí)，其最大振幅明顯減小，其幅度為原先幅值的53%，可以有效判斷故障類(lèi)型；當(dāng)故障類(lèi)型相同、故障程度不同時(shí)，分析得到的加速度信號(hào)圖譜互不相同，且振幅差異明顯，可根據(jù)振幅的閾值來(lái)判斷螺栓松動(dòng)的故障程度。

關(guān)鍵詞： 振動(dòng)篩； 加速度傳感器； 故障診斷； 螺栓松動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 133.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A?? 文章編號(hào)： 1000-5013（2024）01-0010-06

Fault Diagnosis System for Bolt Loosening in Vibrating Screen Based on Acceleration Sensor

ZHU Laifa， JIN Huaxue， FAN Wei， LIU Bin

（School of Electromechanical and Automation， Huaqiao University， Xiamen 361021， China）

Abstract： A vibrating screen bolt loosening fault diagnosis system based on acceleration sensors is constructed by combining LABVIEW software and NIUSB-6363 data acquisition card for the GLS10 linear vibrating screen spring fastening bolt loosening fault. The loosening fault of the fixed end of the vibrating screen spring cantilever beam was simulated by changing the number of loosening bolts. The results show that when the fixed end of the suspension arm of the vibrating screen is loose， its maximum amplitude significantly decreases to 53% of the original amplitude， which can be used to effectively determine the fault type. When the fault type is the same but with various degrees， the acceleration signal spectra obtained varies， and the difference of amplitude is significant， the fault degree of bolt loosening can be determined based on the threshold of the amplitude.

Keywords： vibrating screen； acceleration sensor； fault diagnosis； bolt looseness

振動(dòng)篩是石礦加工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，原煤的分選、清洗及砂石骨料的分選都要用到振動(dòng)篩，因此，需要對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行準(zhǔn)確有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷，以保證振動(dòng)篩的長(zhǎng)期正常運(yùn)行［1-3］。振動(dòng)篩應(yīng)用廣泛，由于其工作條件復(fù)雜，容易產(chǎn)生各種機(jī)械故障。目前，故障主要依靠設(shè)備上振幅牌人眼觀察或采用人工手持式振動(dòng)傳感器依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，效率低下，尤其是螺栓缺失的問(wèn)題，難以被及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)， 造成停工停產(chǎn)的嚴(yán)重后果［4-7］。 利用仿真軟件LABVIEW結(jié)合虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)分析在各領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛［8-12］，將其應(yīng)用于振動(dòng)篩的故障診斷也是一種便捷高效的方法。

范偉等［13］提出變分模態(tài)分解（VMD）和遞歸量化分析（RQA）的故障診斷方法。Agarwalla等［14］將模糊推理系統(tǒng)與遺傳算法（GAS）相結(jié)合，利用混合人工技術(shù)（AI）識(shí)別懸臂梁結(jié)構(gòu)損傷，并進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，得出許多系統(tǒng)的有效解。Shanmugam等［15］開(kāi)發(fā)了一種新型振動(dòng)篩，其振動(dòng)模式為圓形，新的振動(dòng)篩在改變操作參數(shù)方面具有靈活性，提供給篩臺(tái)的圓形振動(dòng)模式包括篩臺(tái)中顆粒上的慣性力，從而減少篩堵塞。喬靖宇等［16］將雙層直線(xiàn)振動(dòng)篩作為煤炭篩分設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)篩箱及加強(qiáng)梁之間的連接形式進(jìn)行優(yōu)化，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而延長(zhǎng)振動(dòng)篩的使用壽命，保證煤炭篩分的穩(wěn)定可靠。

因此，針對(duì)振動(dòng)篩懸臂梁結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)的彈簧緊固螺栓松動(dòng)故障，采用軟件LABVIEW和NIUSB-6363數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)出一種基于加速度傳感器的振動(dòng)篩螺栓松動(dòng)故障診斷系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 GLS10型振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)用振動(dòng)篩為可調(diào)式自同步振動(dòng)篩［17-18］，其實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。GLS10型振動(dòng)篩主要由篩箱、振動(dòng)電機(jī)、支撐系統(tǒng)構(gòu)成。篩箱整體由優(yōu)質(zhì)鋼材焊接而成，為了避免焊縫處應(yīng)力集中導(dǎo)致開(kāi)裂，側(cè)板和激振器大梁采用螺旋連接。篩網(wǎng)共3層，篩孔尺寸自上而下遞減，篩分粒度分別為大于1.2，1.2～0.6，0.6～0.3 mm和小于0.3 mm。

1.2 加速度傳感器

選擇的ICP-31931型美格信三軸加速度傳感器采用現(xiàn)代集成電路技術(shù)將傳統(tǒng)的電荷放大器置于傳感器中，所有高阻抗電路都密封在傳感器內(nèi)，并以低阻抗電壓方式輸出，具有測(cè)量信號(hào)質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)和遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)［19-20］?；谡駝?dòng)篩的運(yùn)行參數(shù)，振動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)采用4個(gè)三軸加速度傳感器，其技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

傳感器安裝在4個(gè)彈簧的支撐頭上座處，即篩箱和彈簧的連接處，采集4個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向共12通道的加速度信號(hào)。傳感器的安裝方式為磁力安裝座安裝，其位置如圖2所示。傳感器的X，Y，Z軸分別采集振動(dòng)篩水平方向、豎直方向、橫向的加速度信號(hào)。

2 LABVIEW軟件系統(tǒng)

2.1 總體框架

采用軟件LABVIEW設(shè)計(jì)信號(hào)采集與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，通過(guò)LABVIEW濾波預(yù)處理收集到的振動(dòng)信號(hào)［21-23］，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與特征提取，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)懸臂梁的振動(dòng)信號(hào)。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖3所示。在信號(hào)檢測(cè)及預(yù)處理的基礎(chǔ)上，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了狀態(tài)變量提取、狀態(tài)診斷和診斷決策三部分內(nèi)容。狀態(tài)變量提取主要為數(shù)據(jù)采集模塊，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分為單通道采集模式和多通道采集模式，可以對(duì)采集模式、采樣率和采樣數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并建立故障閾值檔案庫(kù)。狀態(tài)診斷模塊主要對(duì)信號(hào)進(jìn)行高低通帶濾波，對(duì)預(yù)處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析。診斷決策模塊主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，按照采集信號(hào)測(cè)量得到的振幅值，采用閾值法判斷是否存在螺栓松動(dòng)故障。

2.2 設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能確定總體框架，并遵循模塊化程序的設(shè)計(jì)思想確定總體方案。采用從左到右的方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分的功能模塊，將各模塊組成一個(gè)系統(tǒng)整體。數(shù)據(jù)采集、信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)分析及數(shù)據(jù)輸出等模塊組成振動(dòng)篩信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖4所示。

2.3 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊采用軟件LABVIEW的插件DAQ助手創(chuàng)建采集加速度IEPE模式的任務(wù)，首先，選擇cDAQ-9185中的物理通道，cDAQ-9185中有3個(gè)NI 9234振動(dòng)采集模塊共12通道，分別對(duì)這12個(gè)通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，采用連續(xù)采集的模式，并將采樣率和采樣數(shù)都設(shè)為1 024；其次，啟動(dòng)采集任務(wù)，讀取波形或信號(hào)數(shù)據(jù)；最后，結(jié)束采集任務(wù)并清理緩存。數(shù)據(jù)采集程序框圖，如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 振動(dòng)篩故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

振動(dòng)篩懸臂梁故障診斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。采用352C33型壓電式加速度傳感器檢測(cè)振動(dòng)篩懸臂梁位置的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)LC0602型信號(hào)放大器將采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，采用NIUSB-6363數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳到軟件LABVIEW開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)的采集與分析。

3.2 正常工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)

振動(dòng)篩在正常工作時(shí)，固定端螺栓全部處于擰緊狀態(tài)。此時(shí)，采集到的振動(dòng)信號(hào)均為正常工作狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到振動(dòng)篩正常工作狀態(tài)下的加速度信號(hào)和幅值譜，如圖7所示。圖7中：a為加速度；t為時(shí)間；A為振幅；f為頻率。

由圖7可知：振動(dòng)篩的加速度信號(hào)基本穩(wěn)定在-0.120～0.050 m·s-2之間波動(dòng)，且正向加速度最大不超過(guò)0.055 m·s-2，反向加速度最大不超過(guò)-0.126 m·s-2；振動(dòng)篩的最大幅值出現(xiàn)在固有頻率51 Hz時(shí)，該振幅幅度太大，因此應(yīng)避開(kāi)固有頻率。

3.3 固定端松動(dòng)故障分析

3.3.1 加速度信號(hào)與幅值譜對(duì)比 在正常工作狀態(tài)下的振動(dòng)篩懸臂梁的固定端上擰松一個(gè)固定螺栓，模擬其松動(dòng)故障，得到振動(dòng)篩在固定端松動(dòng)與正常狀態(tài)下的加速度信號(hào)和幅值譜對(duì)比，如圖8，9所示。

由圖8可知：當(dāng)振動(dòng)篩懸臂梁固定端的一個(gè)螺栓松動(dòng)時(shí)，與正常工作狀態(tài)相比，測(cè)得的加速度信號(hào)中正、反向加速度明顯減小，在波動(dòng)周期T/2和T附近（T=200 s），波形出現(xiàn)明顯波動(dòng)，可見(jiàn)加速度信號(hào)波形圖不再規(guī)律。由此可判斷此時(shí)該振動(dòng)篩懸臂梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了固定螺栓松動(dòng)的故障。

由圖9可知：當(dāng)振動(dòng)篩懸臂梁固定端的一個(gè)螺栓松動(dòng)時(shí)，最大幅值為0.037 5 cm，與擰緊時(shí)的最大幅值0.080 0 cm相比減小了53%。對(duì)比幅值譜可以判斷振動(dòng)篩懸臂梁出現(xiàn)了固定端松動(dòng)的故障。

3.3.2 固定端松動(dòng)故障程度分析 為了對(duì)振動(dòng)篩懸臂梁固定端松動(dòng)故障程度進(jìn)行研究，分別模擬固定端缺失1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)固定螺栓時(shí)的情況，得到懸臂梁固定端松動(dòng)不同故障程度的加速度對(duì)比圖，如圖10所示。

由圖10可知：當(dāng)固定端缺失1個(gè)固定螺栓時(shí)，波形在周期T/2和T附近出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)缺失2個(gè)固定螺栓時(shí)，波形在周期T/2和T附近波動(dòng)幅度變大；當(dāng)缺失3個(gè)固定螺栓時(shí)，波形在周期T/2和T附近的波動(dòng)幅度比缺失2個(gè)螺栓時(shí)更加明顯（T=200 s）。因此，在固定端缺失固定螺栓的故障診斷中，可通過(guò)波峰的波動(dòng)幅度判斷缺失螺栓的故障程度。

對(duì)比圖10的分析圖譜可知：當(dāng)振動(dòng)篩懸臂梁故障類(lèi)型相同但故障程度不同時(shí)，得到的加速度信號(hào)圖也都互不相同，且振幅差異明顯，因此可以根據(jù)振幅的閾值來(lái)有效判斷螺栓松動(dòng)的故障類(lèi)型。相較于傳統(tǒng)的將振幅牌貼在振動(dòng)篩上根據(jù)振幅的黑點(diǎn)人工觀測(cè)判斷振動(dòng)故障情況的方法，基于加速度傳感器的振動(dòng)篩故障診斷系統(tǒng)擁有更高的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)GLS10型直線(xiàn)振動(dòng)篩常見(jiàn)的彈簧緊固螺栓松動(dòng)故障，結(jié)合軟件LABVIEW和NIUSB-6363數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)一種基于加速度傳感器的振動(dòng)篩螺栓松動(dòng)故障診斷系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)篩故障信號(hào)進(jìn)行采集和分析的功能，采用加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡及電腦組成的硬件系統(tǒng)和1個(gè)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)分析和結(jié)果輸出4個(gè)功能模塊的軟件系統(tǒng)。通過(guò)擰松固定螺栓及改變松動(dòng)螺栓個(gè)數(shù)的方法，分別模擬振動(dòng)篩彈簧懸臂梁固定端松動(dòng)故障。通過(guò)分析圖譜可知，當(dāng)懸臂梁故障類(lèi)型不同時(shí)，其分析得到的加速度信號(hào)圖譜也互不相同，且振幅差異明顯。振動(dòng)篩懸臂梁彈簧固定端松動(dòng)時(shí)，其最大幅值減小的幅度為原先幅值的53%，從而可以有效地判斷其螺栓松動(dòng)故障，為各種機(jī)械設(shè)備的故障振動(dòng)檢測(cè)提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考。

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