水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障的診斷與維修方法研究

摘要：簡述了研究攪拌站故障診斷和維修的重要性，分析水穩(wěn)和瀝青攪拌站功能、攪拌站機(jī)械故障診斷方法，提取機(jī)械故障多維特征，對攪拌站機(jī)械故障全過程維修等進(jìn)行論述，以某高速公路工程所用瀝青攪拌站為例，通過對比方法驗(yàn)證了本文所述攪拌站機(jī)械故障診斷與維修方法的有效性。

關(guān)鍵詞：水穩(wěn)和瀝青；攪拌站；機(jī)械故障；診斷與維修

0 引言

水穩(wěn)和瀝青攪拌站主要用于高等級公路，城市道路、廣場、機(jī)場的基層和施工，可連續(xù)攪拌和生產(chǎn)不同級配的路基路面材料，在公路建設(shè)和維修中發(fā)揮了重要的作用[1-2]。水穩(wěn)和瀝青攪拌站在高強(qiáng)度使用下，會產(chǎn)生某些機(jī)械故障或隱患。這些機(jī)械故障或隱患若得不到及時的維修控制，會降低攪拌站運(yùn)行的質(zhì)量與效率，影響高速公路工程建設(shè)的工期、經(jīng)濟(jì)效益及質(zhì)量[3]?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)的攪拌站機(jī)械故障診斷和維修方法在實(shí)際應(yīng)用過程中仍然不夠完善，主要體現(xiàn)在機(jī)械故障平均修復(fù)時間較長，不能在第一時間內(nèi)檢測出潛在的故障隱患，導(dǎo)致攪拌站攪拌的均勻性較差[4]。

為了改善這一問題，本文在研究傳統(tǒng)的攪拌站機(jī)械故障維修方法的基礎(chǔ)上，作出了優(yōu)化設(shè)計，提出了一種全新的水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障診斷與維修方法，為促進(jìn)高速公路工程的可持續(xù)化建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

1 水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障診斷維修方法

1.1  水穩(wěn)和瀝青攪拌站功能

水穩(wěn)和瀝青攪拌站是水穩(wěn)攪拌站和瀝青攪拌站的總稱，可屬于同一個攪拌站，但是劃分為水穩(wěn)攪拌區(qū)域和瀝青攪拌區(qū)域，每個攪拌區(qū)域設(shè)有各自的攪拌設(shè)備和材料存放場地。水穩(wěn)攪拌站生產(chǎn)出的水泥穩(wěn)定碎石（水穩(wěn)）、級配碎石，分別用于公路的基層和底基層；瀝青攪拌站生產(chǎn)出的細(xì)粒式瀝青混凝土、中粒式瀝青混凝土、粗粒式瀝青混凝土，分別用于公路的上面層、中面層和下面層。

1.2 攪拌站機(jī)械故障診斷

1.2.1 機(jī)械故障類型

水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障類型較多，包括轉(zhuǎn)動部位卡阻、傳動鏈條偏擺、傳動三角帶偏擺、減速機(jī)故障、干燥滾筒內(nèi)部構(gòu)件松動、提升機(jī)內(nèi)料斗鏈條松動及磨損、振動篩螺栓脫落、氣缸密封圈漏氣等[5]。

1.2.2 建立機(jī)械故障診斷模型

為了能夠有針對性地進(jìn)行機(jī)械故障維修，首先對水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障進(jìn)行全方位診斷，以判斷故障發(fā)生的可能性。可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障診斷模型。在建模時，根據(jù)攪拌站機(jī)械故障預(yù)測值與實(shí)際值之間的殘差。當(dāng)二者之間的殘差大于故障閾值時，即可判定水穩(wěn)和瀝青攪拌站存在機(jī)械故障[6]。在建立的故障診斷模型中，引入殘差分布的異常判定方法，實(shí)現(xiàn)攪拌站機(jī)械故障診斷的可靠性和準(zhǔn)確性。機(jī)械故障診斷模型表達(dá)式如下：

st=∣xt-s^t∣ （1）

式（1）中：st表示t時刻攪拌站運(yùn)行狀態(tài)的真實(shí)值與估計值的殘差，xt表示t時刻攪拌站運(yùn)行狀態(tài)的真實(shí)值，s^t表示t時刻攪拌站運(yùn)行狀態(tài)的估計值。通過設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)真實(shí)值與估計值的差值結(jié)果，結(jié)合殘差正態(tài)分布，可判斷攪拌站發(fā)生機(jī)械故障的可能性，其表達(dá)式如下：

（2）

式（2）中：L表示攪拌站發(fā)生機(jī)械故障的可能性，Q表示殘差分布目標(biāo)函數(shù)，μ—t 表示攪拌站故障樣本均值，μt表示攪拌站故障樣本值，δ表示攪拌站機(jī)械故障診斷模型的故障閾值。通過計算可得出攪拌站機(jī)械故障發(fā)生的可能性，當(dāng)L≥1-δ時，則判定水穩(wěn)和瀝青攪拌站發(fā)生了機(jī)械故障，反之，則判定水穩(wěn)和瀝青攪拌站未發(fā)生機(jī)械故障[7]。

1.3 提取機(jī)械故障多維特征

在上述水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障診斷完畢后，獲取到攪拌站機(jī)械故障發(fā)生的可能性。根據(jù)判定結(jié)果，為發(fā)生機(jī)械故障的水穩(wěn)和瀝青攪拌站選擇提取機(jī)械故障多維特征，為后續(xù)的機(jī)械故障維修提供支持。

提取攪拌站振動信號特征，并對振動信號子頻段能量特征進(jìn)行歸一化處理，可獲取振動信號特征向量如下：

FV=（v1，v2，…，v2N）T （3）

式（3）中：FV表示攪拌站振動信號特征向量，2N表示歸一化處理后能量特征長度，v2N表示任意子頻段歸一化處理后的能量特征值，T表示小波包層數(shù)。

通過計算，得出攪拌站機(jī)械故障振動信號特征向量，該特征向量中包含了攪拌站的主要機(jī)械故障信息，能夠?yàn)闄C(jī)械故障維修提供診斷依據(jù)。

1.4 攪拌站機(jī)械故障全過程維修

基于上述高速公路水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障多維特征選擇提取完畢后，在此基礎(chǔ)上，通過事后維修、預(yù)防維修和安全維修模式，對機(jī)械故障進(jìn)行全過程維修。

1.4.1 事后維修

此種維修方式主要應(yīng)用于水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障發(fā)生之后，根據(jù)機(jī)械故障類型及特征，采取相應(yīng)的維修工具，有針對性地對故障所在位置作出維修。事后維修能夠有效地利用攪拌站零部件壽命，規(guī)避了維修過剩、維修材料及人力資源浪費(fèi)問題的發(fā)生[8]。

1.4.2 預(yù)防維修

采用周期性的檢查與維修模式，根據(jù)攪拌站的運(yùn)行工況及特征，預(yù)測攪拌站發(fā)生機(jī)械故障的時間，通過預(yù)防性維修，消除機(jī)械故障隱患，降低攪拌站機(jī)械故障對生產(chǎn)運(yùn)行的影響。

1.4.3 安全維修模式

安全維修模式，就是以水穩(wěn)和瀝青攪拌站綜合效率為核心目標(biāo)，以攪拌站全壽命周期為對象，進(jìn)行全方位、全系統(tǒng)預(yù)防維修。本文設(shè)計的攪拌站機(jī)械故障安全維修模式流程如下：

首先，拔出攪拌站控制柜主鑰匙，切斷主供電電源。確認(rèn)電源切斷后，維修人員打開安全門，進(jìn)入攪拌站機(jī)械故障現(xiàn)場，監(jiān)測安全門的狀態(tài)變化。其次，結(jié)合上述提取到的機(jī)械故障多維特征，有針對性地對攪拌站各個部位的元件進(jìn)行維修與修正。再次，檢測維修后元件的運(yùn)行工況，判斷是否維修完工，若維修完工則發(fā)出完工確認(rèn)信號。最后，插入攪拌站控制柜主鑰匙，恢復(fù)電源供電，使水穩(wěn)和瀝青攪拌站投入生產(chǎn)；若維修結(jié)果合格，則重復(fù)維修與修正步驟，直至發(fā)出完工確認(rèn)信號為止。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

在將該機(jī)械故障診斷與維修方法應(yīng)用于水穩(wěn)和瀝青攪拌站之前，需對該方法的可行性及診斷維修效果作出驗(yàn)證，確認(rèn)該方法可達(dá)到預(yù)期效果后，方可投入攪拌站機(jī)械故障診斷與維修使用。為此開展了實(shí)驗(yàn)與分析。

2.1 工程概況

某高速公路工程全長為16.8km，雙向4車道。其路面結(jié)構(gòu)如下：上面層為細(xì)粒式瀝青混凝土，中面層為中粒式瀝青混凝土，下面層為粗粒式瀝青混凝土；基層為水泥穩(wěn)定碎石；底基層為級配碎石。

該高速公路工程的水穩(wěn)攪拌站配套設(shè)備主要由配料供給、水泥供給、供水、攪拌、物料輸送、成品儲料、控制等系統(tǒng)組成。瀝青攪拌站配套設(shè)備主要由冷料供給、干燥、燃燒、熱料提升、篩分、熱料儲存、稱量、攪拌、除塵、瀝青儲存供給、操作控制等系統(tǒng)組成。分別生產(chǎn)出符合高速公路質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的的路基或路面材料。

以瀝青攪拌站為例，該攪拌站cb8636e4805047c12190f0f27c81a8c9在運(yùn)行過程中，存在一定的故障隱患。為此按照本文所述攪拌站機(jī)械故障診斷與維修方法，對該攪拌站故障進(jìn)行診斷和維修，通過檢驗(yàn)維修結(jié)果，判定本文提維修方法的可行性。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證本文所述攪拌站機(jī)械故障診斷與維修方法的有效性，引入對比分析方法。將本文所述攪拌站機(jī)械故障維修方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[5]提出的故障維修方法，分別設(shè)置為對照組1與對照組2。選取該高速公路所用瀝青攪拌站機(jī)械故障平均修復(fù)時間，作為此次實(shí)驗(yàn)的性能評價指標(biāo)，計算公式如下：

T=Tm/Q （4）

式（4）中：T表示瀝青攪拌站機(jī)械故障平均修復(fù)時

間；Tm表示瀝青攪拌站機(jī)械總的故障時間；Q表示瀝青攪拌站機(jī)械故障次數(shù)。通過計算得出機(jī)械故障平均修復(fù)時間，T值越小，說明該瀝青攪拌站故障恢復(fù)性越好、維修性能越高，反之同理。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了避免該瀝青攪拌站機(jī)械故障維修實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偶然性，進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)。并利用MATLAB模擬軟件，模擬3種維修方法的故障維修全過程，測定并計算3種維修方法的故障平均修復(fù)時間，繪制出故障平均修復(fù)時間對比結(jié)果，如圖1所示。

通過圖1所示的實(shí)驗(yàn)性能評價指標(biāo)對比結(jié)果可知，在6組攪拌站故障維修實(shí)驗(yàn)中，本文提出的故障診斷維修方法均表現(xiàn)出了良好的性能優(yōu)勢，均能夠在較短時間內(nèi)完成故障維修，故障平均修復(fù)時間始終小于對照組1與對照組2提出的維修方法，平均修復(fù)時間最長不超過4s。由對比結(jié)果不難看出，本文所述高速公路水穩(wěn)和瀝青攪拌站機(jī)械故障維修方法的可行性更高，能夠快速完成故障修復(fù)工作，提高高速公路工程建設(shè)施工的效率。

3 結(jié)束語

綜上所述，為了提高高速公路水穩(wěn)和瀝青攪拌站運(yùn)行的質(zhì)量與效率，本文對機(jī)械故障的原因進(jìn)行了分析，提出了攪拌站機(jī)械故障的診斷和維修方法。采用本文的診斷和維修方法，能夠及時檢測出攪拌站運(yùn)行中潛在的機(jī)械故障隱患，有針對性地作出維修，在較短時間內(nèi)完成攪拌站機(jī)械故障的修復(fù)工作，對保證攪拌站運(yùn)行的效率、促進(jìn)高速公路建設(shè)施工的順利進(jìn)行具有重要研究意義。

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