胡 煒，辛學(xué)銘，葉新功，陳仕琦

(1.沃德(天津)智能技術(shù)有限公司，天津300409；2.內(nèi)蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000)

傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)維模式存在成本高昂、效率低下等諸多問題[1-4]。伴隨著《中國制造2025》行動綱領(lǐng)的提出和不斷推進(jìn)，選煤企業(yè)為了能在新的形勢下實(shí)現(xiàn)設(shè)備“安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”、以及“降本增效”的既定方針，要求設(shè)備管理部門突破現(xiàn)有設(shè)備管理現(xiàn)狀，優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)維模式，提升企業(yè)設(shè)備智能管理能力，進(jìn)而建立一套智能設(shè)備健康管控體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[5-7]。

1 選煤設(shè)備管理現(xiàn)狀

目前選煤設(shè)備管理多采用傳統(tǒng)的日常點(diǎn)巡檢和事后維修相結(jié)合的方式，該方式存在以下問題[8-15]：

(1)重要機(jī)械部件缺乏有效監(jiān)測手段，無法準(zhǔn)確掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組日常維護(hù)缺少數(shù)據(jù)支撐，存在維護(hù)盲點(diǎn)。

(2)點(diǎn)檢工作繁重且巡檢難度大，需要配備相當(dāng)數(shù)量的點(diǎn)檢人員和相應(yīng)的點(diǎn)檢設(shè)備。

(3)日常點(diǎn)巡檢存在安全風(fēng)險，容易造成點(diǎn)檢人員安全事故。

(4)日常點(diǎn)巡檢可能存在點(diǎn)檢不及時的情況，不能準(zhǔn)確、及時地評估設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

(5)該方式依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，出于安全考慮一般保守地制訂維修策略，缺乏經(jīng)濟(jì)性、可靠性及對關(guān)鍵性問題的綜合考慮，易造成維護(hù)頻率和維護(hù)效率與設(shè)備關(guān)鍵性水平不相稱，有限的維修/維護(hù)資源使用不合理的問題。

(6)設(shè)備檢修后缺少客觀數(shù)據(jù)對檢修狀態(tài)進(jìn)行評估，無法對后期設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)。

(7)缺乏統(tǒng)一的設(shè)備健康狀態(tài)管理體系和平臺，無法對全廠的設(shè)備管理進(jìn)行整合，造成了大量的“信息孤島”，雖然在信息化建設(shè)過程中投入了大量的精力和財力，但仍無法實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，無法依靠可靠的信息來進(jìn)行科學(xué)決策。

為此，打造融合的設(shè)備健康管理平臺，通過多平臺間的信息交互，實(shí)現(xiàn)全廠監(jiān)測設(shè)備的多參數(shù)統(tǒng)一管理，對企業(yè)設(shè)備管理效能的提升至關(guān)重要。

2 設(shè)備智能健康管理系統(tǒng)的搭建

下面以淮北礦業(yè)(集團(tuán))渦北選煤廠為例來說明設(shè)備智能健康管理系統(tǒng)的搭建。

目前，渦北選煤廠已經(jīng)著手對選煤廠的重點(diǎn)設(shè)備實(shí)施智能化升級改造，來搭建自己的設(shè)備智能健康管理系統(tǒng)。該廠通過搭建新的基于振動和溫度的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并融合前期已經(jīng)獲取的主要設(shè)備的電流、電壓、功率和溫度等監(jiān)測參數(shù)，對設(shè)備健康狀態(tài)實(shí)施了智能化跟蹤與監(jiān)測，通過評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提前分析和發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在故障；通過持續(xù)的評估和跟蹤研究對象的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備的劣化趨勢，并根據(jù)劣化趨勢，合理地制訂設(shè)備的運(yùn)維計劃，如備品備件的準(zhǔn)備時間和設(shè)備的維修時間，盡可能地延長設(shè)備的使用壽命，避免設(shè)備的非計劃停機(jī)，提高設(shè)備的使用效益。搭建的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 渦北選煤廠設(shè)備健康管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)通過在刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、破碎機(jī)、振動篩、泵、空壓機(jī)和離心機(jī)等重要旋轉(zhuǎn)類設(shè)備的關(guān)鍵部位合理布置無線溫度振動一體傳感器，采集到原有設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)無法監(jiān)測的設(shè)備振動和溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)；采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理等手段后，基于ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00 m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集站，再由數(shù)據(jù)采集站將數(shù)據(jù)經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)線或光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器。

現(xiàn)場服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀寫，現(xiàn)場客戶端可以通過本地網(wǎng)絡(luò)訪問現(xiàn)場服務(wù)器的所有歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)，及時處理系統(tǒng)報警和對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析?，F(xiàn)場服務(wù)器的數(shù)據(jù)可經(jīng)過Internet實(shí)時備份到沃德云服務(wù)器，沃德為客戶提供了三個面向不同使用者的設(shè)備管理平臺。

沃德云平臺主要面向企業(yè)管理者，用于總覽系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的總體狀態(tài)分布及趨勢變化情況，從而掌握企業(yè)設(shè)備的總體運(yùn)行狀態(tài)。

沃德遠(yuǎn)程診斷中心面向沃德診斷工程師，負(fù)責(zé)7×24 h對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對報警信息進(jìn)行實(shí)時篩分和處理后，準(zhǔn)確評估設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。若設(shè)備存在故障，則負(fù)責(zé)判定設(shè)備故障部位、故障類型和故障嚴(yán)重程度，并根據(jù)故障信息制定精確的運(yùn)維建議，反饋到移動端設(shè)備健康管理平臺。

移動端設(shè)備健康管理平臺面向現(xiàn)場設(shè)備工程師，用于接收設(shè)備的實(shí)時狀態(tài)信息和經(jīng)過診斷工程師分析處理后的信息，根據(jù)設(shè)備定位信息對附近的故障設(shè)備按報警等級，進(jìn)行及時地分梯度處理，并與診斷工程師進(jìn)行實(shí)時交互。

基于多種成熟的通訊協(xié)議，企業(yè)原有其他的管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，用于獲取搭建振動溫度狀態(tài)管理系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，避免造成信息孤島，真正地實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康的多參數(shù)管理。

3 運(yùn)維優(yōu)化實(shí)例

以渦北選煤廠旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備作為研究對象，基于搭建的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提前分析、發(fā)現(xiàn)研究對象潛在的機(jī)械故障；通過持續(xù)地評估和跟蹤研究對象的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備的劣化趨勢，根據(jù)劣化趨勢合理地確定設(shè)備的運(yùn)維措施、備品備件的準(zhǔn)備時間和設(shè)備的維修時間，以提高設(shè)備的使用壽命，避免設(shè)備的非計劃停機(jī)，增加設(shè)備的使用效益。

3.1 電機(jī)潤滑不良狀態(tài)監(jiān)測實(shí)例

帶式輸送機(jī)是渦北選煤廠重要的大型固定設(shè)備，擔(dān)負(fù)著煤炭運(yùn)輸?shù)闹匾饔谩Ｍㄟ^對3002帶式輸送機(jī)電機(jī)狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測，于2018年10月避免了設(shè)備因潤滑不良造成的非計劃停機(jī)。該設(shè)備完成智能化升級后，通過對電機(jī)的監(jiān)測信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備非驅(qū)動端軸承存在中期軸承，但設(shè)備各測點(diǎn)振動趨勢總體穩(wěn)定。設(shè)備振動趨勢如圖2所示。

圖2 10月1日前3002帶式輸送機(jī)電機(jī)各測點(diǎn)振動趨勢

測點(diǎn)高頻測量數(shù)據(jù)時域信號存在明顯的周期沖擊特征，沖擊頻率約為11 Hz，頻譜主要能量集中在高頻段，主要特征頻率約為204 Hz。測點(diǎn)時-頻域特征如圖3所示。

圖3 3002帶式輸送機(jī)電機(jī)非驅(qū)動端測點(diǎn)時-頻域特征

通過對能量集中的高頻段進(jìn)行包絡(luò)發(fā)現(xiàn)，其主要特征頻率為11 Hz及其諧頻和204 Hz及其諧頻。包絡(luò)解調(diào)特征如圖4所示。

圖4 3002帶式輸送機(jī)電機(jī)非驅(qū)動端測點(diǎn)信號包絡(luò)譜

電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率約為25 Hz，根據(jù)設(shè)備傳動結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推測頻率約11 Hz的特征為測點(diǎn)軸承的保持架故障特征，頻率約204 Hz的特征為測點(diǎn)軸承滾道損傷特征，故判定測點(diǎn)軸承存在中期損傷，建議保證設(shè)備的潤滑，觀察設(shè)備的運(yùn)行，密切注視設(shè)備測點(diǎn)振動的變化趨勢。

10月10日非驅(qū)動端測點(diǎn)振動值突然大幅增加，但設(shè)備其他測點(diǎn)振動并未存在明顯的增加，推測振動變化應(yīng)該不是因工況變化導(dǎo)致。各測點(diǎn)振動趨勢如圖5所示。對測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，時域能量增加明顯，但測點(diǎn)時域信號并未存在明顯的沖擊，頻譜能量分布與前期一致。對信號進(jìn)行包絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，主要特征與前期數(shù)據(jù)的特征一致，頻率主要為204 Hz及其諧頻。

為進(jìn)一步判斷，提取了測點(diǎn)的采樣值趨勢，發(fā)現(xiàn)在10日5時左右設(shè)備啟動后，測點(diǎn)采樣值從低位開始逐漸爬升。測點(diǎn)采樣值趨勢如圖6所示。

對設(shè)備各測點(diǎn)的信號進(jìn)行綜合分析，推斷測點(diǎn)振動變化是因潤滑不良所致，建議及時加注潤滑脂。

圖5 9月25日至10月11日3002帶式輸送機(jī)電機(jī)各測點(diǎn)振動趨勢

圖6 3002帶式輸送機(jī)電機(jī)非驅(qū)動端測點(diǎn)采樣值趨勢Fig.6 Trend of variation of sampled data obtained at monitoring points on nondrive end of the motor of 3002# belt conveyor

經(jīng)現(xiàn)場人員及時對電機(jī)軸承加注了潤滑油后，設(shè)備測點(diǎn)振動基本恢復(fù)到前期的振動水平。振動趨勢如圖7所示。由于測點(diǎn)軸承仍存在損傷，建議生產(chǎn)現(xiàn)場對設(shè)備加強(qiáng)關(guān)注，尤其是設(shè)備振動趨勢的變化。

圖7 加注潤滑油后3002帶式輸送機(jī)電機(jī)各測點(diǎn)振動趨勢

若按照傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)維模式對該設(shè)備進(jìn)行管理，極有可能因?yàn)辄c(diǎn)檢不及時造成電機(jī)軸承的燒毀，從而導(dǎo)致設(shè)備的非計劃停機(jī)，給企業(yè)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。基于設(shè)備健康管理系統(tǒng)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的分析，可精準(zhǔn)地制定設(shè)備對應(yīng)狀態(tài)下的運(yùn)維措施，確保了設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，顯著提升了設(shè)備的運(yùn)維效果。

3.2 選煤廠減速機(jī)軸承損傷狀態(tài)監(jiān)測實(shí)例

渦北選煤廠搭建的設(shè)備健康管理系統(tǒng)還對209刮板輸送機(jī)進(jìn)行了監(jiān)測，上線一開始就發(fā)現(xiàn)異常，并對監(jiān)測信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)減速機(jī)高速軸軸承存在中期損傷。

測點(diǎn)時域周期沖擊特征明顯，沖擊頻率約為24.4 Hz，與減速箱高速軸轉(zhuǎn)動頻率相符。頻域主要特征約為220 Hz及其諧頻，且存在明顯的調(diào)制邊帶，調(diào)制頻率與高速軸轉(zhuǎn)動頻率相符。測點(diǎn)信號的時-頻域特征如圖8所示。

圖8 209刮板輸送機(jī)減速機(jī)高速軸測點(diǎn)時-頻域特征

測點(diǎn)信號解調(diào)譜主要特征為高速軸轉(zhuǎn)動頻率及其諧頻和約為220 Hz及其諧頻，且存在明顯的調(diào)制邊帶，調(diào)制頻率與高速軸轉(zhuǎn)動頻率相符。測點(diǎn)信號解調(diào)譜如圖9所示。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，判斷減速機(jī)高速軸軸承內(nèi)圈存在中期損傷，因此建議生產(chǎn)現(xiàn)場保證設(shè)備的潤滑，觀察設(shè)備的運(yùn)行，密切關(guān)注設(shè)備狀態(tài)的變化。

圖9 209刮板輸送機(jī)減速機(jī)高速軸測點(diǎn)解調(diào)譜

經(jīng)一段時間的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電機(jī)各測點(diǎn)振動趨勢總體穩(wěn)定，減速機(jī)各測點(diǎn)的振動趨勢緩慢上升，故建議生產(chǎn)現(xiàn)場取油樣監(jiān)測潤滑油是否合格，若不合格，及時更換潤滑油。設(shè)備振動趨勢如圖10所示。

209刮板輸送機(jī)設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)在2018年1月3日上線運(yùn)行時檢測到設(shè)備高速軸電機(jī)側(cè)高頻測點(diǎn)振動加速度有效值約為7 m/s2，現(xiàn)場運(yùn)維人員對運(yùn)行聲音進(jìn)行偵聽，未見運(yùn)行聲音存在明顯的異常，且設(shè)備溫度穩(wěn)定，未存在明顯異常。但是，隨著設(shè)備運(yùn)行的持續(xù)，該狀況逐漸劣化到2月15日，高速軸電機(jī)側(cè)高頻測點(diǎn)振動加速度有效值增大為13.5 m/s2，比上線時上升了約92.86%?，F(xiàn)場運(yùn)維人員對設(shè)備運(yùn)行聲音進(jìn)行偵聽，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行聲音存在明顯異常，如果基于以往的運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場將進(jìn)行設(shè)備的更換。

圖10 2月5日前209刮板輸送機(jī)各測點(diǎn)振動趨勢

但經(jīng)過診斷工程師對設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為設(shè)備的振動加速度上升趨勢較為緩慢，且設(shè)備的運(yùn)行溫度未見明顯的提升，建議繼續(xù)觀察設(shè)備的運(yùn)行，密切關(guān)注設(shè)備狀態(tài)的變化趨勢。

3月4日后系統(tǒng)監(jiān)測到該設(shè)備振動劣化趨勢開始加劇，診斷工程師建議現(xiàn)場可以準(zhǔn)備備件，待設(shè)備振動趨勢出現(xiàn)急劇劣化時停機(jī)檢修。

4月14日設(shè)備振動急劇上升，且設(shè)備的溫度出現(xiàn)了明顯的上升，14日8時高速軸電機(jī)側(cè)高頻測點(diǎn)振動加速度有效值約為71.4 m/s2，較2月15日上升了約428.89%；4月15日6時高速軸電機(jī)側(cè)高頻測點(diǎn)振動加速度有效值約為196 m/s2，較4月14日8時上升了約174.51%，并且測點(diǎn)時域信號出現(xiàn)了明顯的截波現(xiàn)象，故建議現(xiàn)場停機(jī)，及時進(jìn)行檢修。減速機(jī)各高頻段測點(diǎn)的振動趨勢如圖11所示。

4月15日現(xiàn)場停機(jī)前減速機(jī)高速軸電機(jī)側(cè)高頻測點(diǎn)時-頻特征如圖12所示。時域波形出現(xiàn)了截波現(xiàn)象，頻域成分較前期更加復(fù)雜。

對測點(diǎn)信號進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)發(fā)現(xiàn)，包絡(luò)解調(diào)成分復(fù)雜，顯示軸承內(nèi)外圈和滾動體均存在損傷。包絡(luò)解調(diào)特征如圖13所示。

圖11 4月15日前209刮板輸送機(jī)減速機(jī)各測點(diǎn)振動趨勢

圖12 停機(jī)前209刮板輸送機(jī)減速機(jī)高速軸測點(diǎn)時-頻域特征

圖13 209刮板輸送機(jī)減速機(jī)高速軸測點(diǎn)信號包絡(luò)譜Fig.13 Signal envelope spectrum of high-speed shaft of reducer of 209# scraper conveyor

現(xiàn)場人員對209刮板輸送機(jī)減速機(jī)進(jìn)行檢修，拆解后發(fā)現(xiàn)，高速軸電機(jī)側(cè)軸承內(nèi)圈損傷嚴(yán)重，內(nèi)圈整圈均存在嚴(yán)重的點(diǎn)蝕和剝落。軸承損傷照片如圖14所示。若設(shè)備不及時停機(jī)，繼續(xù)運(yùn)行，則可能造成滾子破裂，導(dǎo)致設(shè)備二次損傷。

若基于傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)維模式對設(shè)備進(jìn)行管理，當(dāng)現(xiàn)場運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在明顯異常聲音時，會及時地對設(shè)備進(jìn)行檢修。而基于設(shè)備健康管理系統(tǒng)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的分析和持續(xù)跟蹤，更加精確地確定了備品準(zhǔn)備時間節(jié)點(diǎn)和設(shè)備檢修時間，相較于傳統(tǒng)的運(yùn)維模式，至少為設(shè)備延長了2個月的使用壽命，提高了設(shè)備的使用效益。此外，通過持續(xù)的對設(shè)備狀態(tài)趨勢的跟蹤，可免去傳統(tǒng)運(yùn)維模式中頻繁的設(shè)備點(diǎn)檢，提升了設(shè)備點(diǎn)檢效率。

圖14 209刮板輸送機(jī)減速機(jī)軸承檢修照片

4 結(jié)論

通過對選煤廠傳統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)模式的研究，結(jié)合各生產(chǎn)設(shè)備對運(yùn)維需求的調(diào)研結(jié)果，渦北選煤廠搭建了設(shè)備智能健康管理系統(tǒng)。雖然該系統(tǒng)無法避免設(shè)備故障的出現(xiàn)，但通過對設(shè)備狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測和對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，能發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期故障，通過優(yōu)化運(yùn)維措施，可幫助企業(yè)減少設(shè)備管理成本，提高設(shè)備使用效益，具體可做到：

(1)提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期故障，根據(jù)故障類型，優(yōu)化運(yùn)行維護(hù)措施，盡可能避免非計劃停機(jī)的發(fā)生。

(2)旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠記錄設(shè)備全生命周期的振動和溫度數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的挖掘，能夠深入地了解設(shè)備故障產(chǎn)生的根本原因，從而優(yōu)化設(shè)備運(yùn)維管理。

(3)可以根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，有針對性制定維護(hù)措施，減緩大部件劣化速度，延長設(shè)備使用壽命。

(4)通過對設(shè)備全生命周期的數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析，能夠提升管理人員對設(shè)備性能的了解，同時通過對設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)的分析，還可以對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完善設(shè)備制造工藝，從而延長設(shè)備使用周期，降低人員點(diǎn)檢強(qiáng)度，降低運(yùn)維費(fèi)用。

(5)可通過故障診斷確定故障根源，對損傷部件使用壽命的預(yù)測，幫助企業(yè)合理制訂檢修維護(hù)計劃，從而統(tǒng)籌安排人力及備件準(zhǔn)備，縮短備件采購與檢修周期。

(6)可進(jìn)行有針對性的檢修維護(hù)，避免非計劃停機(jī)，同時也可避免因局部部件損傷導(dǎo)致的大部件整體故障。

(7)可對檢修后狀態(tài)進(jìn)行評估。設(shè)備檢修之后，可對設(shè)備檢修質(zhì)量進(jìn)行獨(dú)立評估，確保設(shè)備故障已經(jīng)消除。