劉之能 楊文旺 余 悅

(北京礦冶研究總院)

浮選機(jī)下部軸旋轉(zhuǎn)平衡檢測(cè)系統(tǒng)研究

劉之能 楊文旺 余 悅

(北京礦冶研究總院)

針對(duì)傳統(tǒng)浮選機(jī)下部軸旋轉(zhuǎn)情況監(jiān)控方法存在實(shí)時(shí)性差、判斷界定模糊等問題，采用振動(dòng)速度傳感器和頻譜分析軟件，建立了一套能夠準(zhǔn)確判斷浮選機(jī)下部軸旋轉(zhuǎn)平衡情況的檢測(cè)系統(tǒng)，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸偏擺狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)使得浮選機(jī)運(yùn)行檢測(cè)方法由傳統(tǒng)的人工定期檢測(cè)法升級(jí)為先進(jìn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控法，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除主軸部件故障，有效延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命、提高選廠運(yùn)行管理效率。

浮選機(jī) 旋轉(zhuǎn)平衡 振動(dòng)傳感器

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)，礦產(chǎn)資源行業(yè)開始進(jìn)入深度調(diào)整期，粗放低效、環(huán)境成本高的開采和加工模式將逐步遠(yuǎn)離主流。選礦裝備是礦物加工環(huán)節(jié)的重要組成部分，其智能化技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用程度代表了選礦裝備的發(fā)展水平，并且是其重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

浮選機(jī)屬于選礦過程的重要設(shè)備，一個(gè)選礦廠的浮選車間往往包含多臺(tái)浮選機(jī)，而其中任何一臺(tái)設(shè)備發(fā)生事故或停車都會(huì)對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重?fù)p失。其中，浮選機(jī)主軸部件下部軸的旋轉(zhuǎn)不平衡則是造成事故停車的重要原因，因此對(duì)下部軸的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)能夠提高浮選機(jī)可靠性、降低安全生產(chǎn)隱患。傳統(tǒng)的方法是通過定期檢查，并依靠人工聽覺、視覺和觸覺等主觀感受來判斷浮選機(jī)下部軸是否旋轉(zhuǎn)不平衡，而此判斷方法存在界定模糊、隨意性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性差和準(zhǔn)確率低等問題，容易引發(fā)由于主軸部件發(fā)生故障沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)而造成的設(shè)備停機(jī)或安全事故。

目前大型風(fēng)機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)、渦輪機(jī)等設(shè)備均在多年前便開始采用振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)來判斷主軸旋轉(zhuǎn)平衡度。使用該技術(shù)后事故發(fā)生率降低了75%，維修費(fèi)用減少25%～50%[1]。由于振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)浮選機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)平衡度診斷領(lǐng)域尚屬空白，因此開發(fā)浮選機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)平衡度診斷系統(tǒng)不僅可以有效提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率、降低維護(hù)成本，而且可以幫助用戶了解主軸部件的性能狀態(tài)并及早發(fā)現(xiàn)潛在故障，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命、提高選廠運(yùn)行管理水平[2]。

本研究在30 L試驗(yàn)用小型浮選機(jī)上建立了一套浮選機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)平衡度診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用振動(dòng)傳感器對(duì)浮選機(jī)上下軸承體在旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過數(shù)據(jù)分析對(duì)振動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)平衡度的一致性進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)由振動(dòng)檢測(cè)分析系統(tǒng)和主軸偏擺測(cè)量系統(tǒng)組成。振動(dòng)檢測(cè)分析系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器和振動(dòng)診斷模塊組成，主軸偏擺測(cè)量系統(tǒng)由電渦流傳感器和變送器組成。

試驗(yàn)在上、下軸承安裝位置的正上方各安裝一個(gè)振動(dòng)傳感器來檢測(cè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)頻率上的振動(dòng)速度值，振動(dòng)信號(hào)傳輸至振動(dòng)診斷模塊后，診斷模塊解析振動(dòng)頻譜，并將實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)通過OPC協(xié)議上傳至工控機(jī)組態(tài)軟件。采用電渦流傳感器來檢測(cè)主軸的擺動(dòng)幅度，電渦流傳感器將主軸擺動(dòng)幅度信號(hào)傳輸至變送器進(jìn)行解析后，以4～20 mA電流形式傳輸至PLC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，隨后通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)組態(tài)軟件。組態(tài)軟件對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)和主軸擺動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和記錄。

2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)通過在浮選機(jī)葉輪邊沿加裝吸鐵石的方法使葉輪在質(zhì)量分布上不均勻，從而達(dá)到主軸偏擺的目的。試驗(yàn)原理如圖1所示。浮選機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)不平衡在頻譜上的特征表現(xiàn)是轉(zhuǎn)動(dòng)頻率處徑向上出現(xiàn)振動(dòng)峰值。主軸每轉(zhuǎn)一圈振動(dòng)一次并出現(xiàn)一次單峰頻譜，而且這種峰值一般要比其他頻率段高許多[3]。

衡量振動(dòng)大小可以采用檢測(cè)加速度、速度或位移3種參數(shù)的不同方式，這3種參數(shù)均在旋轉(zhuǎn)頻率處出現(xiàn)峰值，每個(gè)參數(shù)都包含著同樣的振動(dòng)幅值信息，但給出信息的方式有很大不同?？紤]到測(cè)量靈敏度，一般在低轉(zhuǎn)速時(shí)選用位移或速度參數(shù)，其靈敏度較高，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1 000 r/s時(shí)，才選用加速度作為參數(shù)。相比其他2種參數(shù)，速度參數(shù)曲線最平緩，所以一般最常選用的是速度參數(shù)；加速度參數(shù)曲線傾向于突出高頻成分，固此當(dāng)?shù)皖l噪聲嚴(yán)重時(shí)也可選用加速度參數(shù)；位移參數(shù)曲線則傾向于突出低頻成分，可用來對(duì)抗高頻噪聲[4]。

圖1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)選用浮選機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速為8 r/s，屬于低速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，因此采用速度參數(shù)作為對(duì)比分析的目標(biāo)變量。此外，為了對(duì)振動(dòng)傳感器數(shù)值的可靠性進(jìn)行進(jìn)一步地驗(yàn)證，本次試驗(yàn)在浮選機(jī)的主軸旁側(cè)安裝了一個(gè)電渦流傳感器，可以精確測(cè)量出主軸徑向振動(dòng)偏擺值。電渦流傳感器的測(cè)量原理為：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)被測(cè)金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時(shí)，探頭所感應(yīng)到的電流數(shù)值也發(fā)生變化，從而引起振蕩電壓幅值的變化。這個(gè)隨距離變化的振蕩電壓經(jīng)過檢波、濾波、線性補(bǔ)償、放大歸一處理轉(zhuǎn)化成電壓(電流)變化，最終完成機(jī)械位移(間隙)轉(zhuǎn)換成電壓(電流)[5]。

3 試驗(yàn)過程和結(jié)果

由于試驗(yàn)采用的浮選機(jī)葉輪本身存在質(zhì)量分布不均勻的情況，為了最大限度降低這種不均勻?qū)υ囼?yàn)結(jié)果帶來的不確定性和誤差，試驗(yàn)將葉輪劃分為6個(gè)區(qū)域，并將不同重量的吸鐵石分別固定在每一個(gè)區(qū)域，分析主軸擺動(dòng)幅值與上下軸承振動(dòng)速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。位置劃分情況如圖2所示。

不同重量的吸鐵石固定在1～6號(hào)位置時(shí)，主軸平均擺幅與上下軸承體振動(dòng)速度數(shù)據(jù)比對(duì)見表1。

從表1可以看出：當(dāng)在葉輪的1#位置和2#位置逐漸增加配重時(shí)，主軸的擺動(dòng)幅度逐漸降低；6#位置的平均擺幅幾乎不受所增加配重影響；3#、4#、5#位置的平均擺幅隨配重增加而逐漸增大。當(dāng)配重增加時(shí)，6個(gè)位置中每一個(gè)位置的上、下軸承的振動(dòng)速度均逐漸增大。由表1無法分析質(zhì)量不平衡與主軸擺動(dòng)幅度的定量關(guān)系，但當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)不平衡時(shí)，可以通過振動(dòng)速度體現(xiàn)出來，因此可以采用振動(dòng)速度傳感器對(duì)主軸偏擺實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

圖2 葉輪區(qū)域劃分情況

表1 主軸平均擺幅與上下軸承體振動(dòng)速度數(shù)據(jù)對(duì)比表

4 結(jié) 語

浮選機(jī)主軸擺動(dòng)無論對(duì)于設(shè)備安全還是生產(chǎn)安全來講均有重大影響，傳統(tǒng)的電渦流傳感器雖然可以直接檢測(cè)主軸擺動(dòng)幅度，但工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的浮選機(jī)不具備其安裝使用的條件和要求。本研究首次通過安裝在軸承體上的振動(dòng)傳感器間接測(cè)算主軸擺動(dòng)幅度，實(shí)現(xiàn)了浮選機(jī)主軸運(yùn)行的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，可以有效延長(zhǎng)浮選機(jī)的使用壽命、提高選廠的管理效率。

[1] 郭麗亞.大型機(jī)械旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡測(cè)試硬件設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論與研究，2013(5)：57-59.

[2] 李 超，梁秋立，趙 嫚.渦旋流體機(jī)械平衡重功率損耗的數(shù)值分析[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012(2)：22-27.

[3] 吳志星.HYSY201深水鋪管起重船吊機(jī)旋轉(zhuǎn)平衡系統(tǒng)制造工藝[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2012(5)：45-50.

[4] 張志新，賀世正.高速轉(zhuǎn)子整機(jī)動(dòng)平衡儀的開發(fā)與研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2001(4):384-387.

[5] 郭 健.旋轉(zhuǎn)機(jī)械的平衡品質(zhì)[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2006(4)：244-249.

2015-03-16)

劉之能(1982—)，男，工程師，100160 北京市南四環(huán)西路188號(hào)。