辛學(xué)銘，胡 煒，李玉璞

(1.內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.沃德智能(天津)有限公司，天津 300409)

煤炭洗選是提高煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的一種有效途徑[1-2]，分級(jí)作業(yè)是煤炭洗選中的重要作業(yè)環(huán)節(jié)，而振動(dòng)篩是選煤廠應(yīng)用最廣泛的分級(jí)、脫水、脫介、脫泥設(shè)備，屬于關(guān)鍵設(shè)備之一[3]。在振動(dòng)篩運(yùn)行過程中，激振器產(chǎn)生的激振力使篩面物料按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按需分級(jí)。由于激振器安裝在振動(dòng)篩的正上方，導(dǎo)致技術(shù)人員無(wú)法直接對(duì)其進(jìn)行常規(guī)檢查，只能通過停機(jī)后的技術(shù)參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷其運(yùn)行狀態(tài)。但激振器在長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度下運(yùn)行時(shí)，非常容易發(fā)生突發(fā)故障，進(jìn)而影響選煤作業(yè)的連續(xù)進(jìn)行。因此，實(shí)現(xiàn)激振器運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)顯得非常重要。

在國(guó)家提出“中國(guó)制造2025”的大環(huán)境下，設(shè)備點(diǎn)檢智能化成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析方法有多種[4-5]，如通過對(duì)溫度、振動(dòng)、油液、聲音等的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。其中，基于振動(dòng)的機(jī)械故障診斷方法是一種無(wú)損檢測(cè)方法，可對(duì)齒輪嚙合故障、軸承故障、葉片故障、轉(zhuǎn)子故障等傳動(dòng)系統(tǒng)常見故障進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的潛在故障，并指導(dǎo)設(shè)備保養(yǎng)與維修方案的設(shè)計(jì)。

為了進(jìn)一步提高設(shè)備管理水平和智能化程度，酸刺溝選煤廠在多個(gè)激振器上安裝智能化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(基于振動(dòng)的機(jī)械故障診斷系統(tǒng))，用于在線監(jiān)測(cè)激振器的運(yùn)行狀態(tài)。自2017年1月運(yùn)行以來(lái)，其在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，對(duì)降低運(yùn)行與維修成本有著重要作用。

1 系統(tǒng)組成

智能化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是為企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備(如電機(jī)、齒輪箱等)，安裝加速度、速度、位移、溫度、油液、電流功率等傳感器，進(jìn)而對(duì)其運(yùn)行狀況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。通過采集、積累的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，可為每臺(tái)設(shè)備制定個(gè)性化的狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析方法。酸刺溝選煤廠設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模擬圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備智能化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模擬圖

根據(jù)激振器的技術(shù)特點(diǎn)，在激振器上安裝以振動(dòng)為主的智能化在線監(jiān)控系統(tǒng)，分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。設(shè)備智能化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

(1)硬件系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)，用于采集激振器的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)主要設(shè)備包括無(wú)線傳感器、采集站、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器等，傳感器是通用加速度傳感器，靈敏度為100 mV/g，且集有溫度傳感器，通過無(wú)線傳輸方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到采集站；采集站與傳感器相連，最多可連接40個(gè)傳感器，在無(wú)格擋情況下傳感器與采集站的信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)為200 m，采集站通過4G、WIFI、以太網(wǎng)等方式將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器；現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器用于收集采集站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)備份功能，并可將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)服務(wù)器提供與WRAS遠(yuǎn)程診斷中心(軟件)相同的數(shù)據(jù)分析功能。

圖2 設(shè)備智能化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(2)軟件系統(tǒng)建立在硬件系統(tǒng)之上，具有分析激振器的振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)、出具分析報(bào)告等功能。軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、云服務(wù)器、WRAS遠(yuǎn)程診斷中心、專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員、移動(dòng)客戶端(APP)等，數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)；云服務(wù)器等用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和APP讀取數(shù)據(jù)；WRAS遠(yuǎn)程診斷中心屬于數(shù)據(jù)分析軟件，為專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員提供數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員定期出具診斷報(bào)告，用于指導(dǎo)設(shè)備維修。

由于振動(dòng)篩長(zhǎng)期處于振動(dòng)狀態(tài)，且振動(dòng)較為劇烈，如果采用普通有線傳感器，傳感器線路容易老化，輕則導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸衰減、消失，重則引發(fā)安全生產(chǎn)事故。因此，激振器的傳感器采用無(wú)線傳輸方式，這樣就能避免鋪設(shè)線路，且安裝方便，可在一定程度上減少施工量。

此外，為了使設(shè)備管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有設(shè)備智能化健康管理云平臺(tái)移動(dòng)終端(手機(jī)APP等)，可隨時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)不僅僅是硬件的安裝與使用，還包括專業(yè)數(shù)據(jù)分析人員對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的分析、對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況的總結(jié)等軟服務(wù)。智能化健康管理云平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能化健康管理云平臺(tái)架構(gòu)

2 振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集與分析

2.1 傳感器的選型與安裝

該系統(tǒng)通過安裝在激振器軸承位置的傳感器采集設(shè)備旋轉(zhuǎn)部件(軸承、齒輪、旋轉(zhuǎn)軸等)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。傳感器的正確選型與安裝，采集數(shù)據(jù)類型的合理確定是設(shè)備故障有效診斷的基礎(chǔ)，也是數(shù)據(jù)分析人員確定設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)。因此，傳感器的合理選型與安裝，需要滿足以下要求：

(1)根據(jù)檢測(cè)設(shè)備類型，確定采集數(shù)據(jù)類型，選用合適的傳感器。常用的振動(dòng)數(shù)據(jù)分為三種，即振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度、振動(dòng)位移[6]。對(duì)于滾動(dòng)軸承，一般采集振動(dòng)加速度和速度兩種信號(hào)，需要選用壓電陶瓷式振動(dòng)加速度傳感器；對(duì)于滑動(dòng)軸承，需要選用位移傳感器對(duì)軸承故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)不同方向的不同故障的振動(dòng)敏感性差異很大，對(duì)于同一臺(tái)機(jī)組，傳感器應(yīng)安裝在水平H、垂直V、軸向A三個(gè)方向。其中，H向?qū)收系木C合效應(yīng)響應(yīng)最好；A向適用于軸向受力分析，在物理?yè)p傷、故障劣化預(yù)測(cè)中必不可少；V向在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類、共振類、工藝類等故障監(jiān)測(cè)中，有其獨(dú)特的敏感性。

(3)根據(jù)設(shè)備轉(zhuǎn)速和設(shè)備類型，確定采集振動(dòng)信號(hào)的頻率段，一般設(shè)備特征頻率與轉(zhuǎn)速成正比。如齒輪嚙合故障，主要通過齒輪的嚙合頻率[7]及其2～3倍諧頻分析，故要求采集信號(hào)的最大頻率在齒輪嚙合頻率的3倍以上[8-9]；由于軸承材質(zhì)原因，其故障頻率通常在2～20 kHz之間，而傷晚期的故障頻率在2 kHz以內(nèi)。因此，需要根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)需求，設(shè)置不同的數(shù)據(jù)采集頻率段。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

在保證采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效的基礎(chǔ)上，可采用WRAS遠(yuǎn)程診斷中心的20多種數(shù)據(jù)分析方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分、準(zhǔn)確的分析，確保及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，并通過獨(dú)有算法對(duì)損壞部件殘余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，以指導(dǎo)設(shè)備的及時(shí)、有效維修。故障診斷算法框圖如圖4所示。

該系統(tǒng)5 min采集一次振動(dòng)特征值和溫度數(shù)據(jù)，相當(dāng)于人工點(diǎn)檢一次，能夠保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性；1 h采集一次振動(dòng)數(shù)據(jù)波形，用于分析設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)，相當(dāng)于一次離線精密監(jiān)測(cè)[10]；同時(shí)，振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)采樣值可以作為設(shè)備振動(dòng)趨勢(shì)分析的依據(jù)。

3 應(yīng)用效果

振動(dòng)篩激振器為一級(jí)傳動(dòng)齒輪箱，激振器主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的齒輪規(guī)格相同；其輸入轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，齒輪齒數(shù)為68個(gè)，故齒輪嚙合頻率為1 246 Hz。根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，傳感器采集數(shù)據(jù)的頻率設(shè)置為：高頻振動(dòng)加速度在2～20 kHz之間，低頻振動(dòng)加速度在2～2 kHz之間，振動(dòng)速度在2～2 000 Hz之間；每臺(tái)激振器安裝四個(gè)傳感器，安裝時(shí)兼顧H、V、A三個(gè)方向。酸刺溝選煤廠3202振動(dòng)篩測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。

3.1 設(shè)備故障的初步判斷

通過非電機(jī)側(cè)激振器各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)趨勢(shì)(圖6)可以看出：2017年10月19日后振動(dòng)加速度迅速增加，上升趨勢(shì)非常明顯。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)生成的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1，按照振動(dòng)值大小，分別采用綠色、黃色、紅色等顏色表明設(shè)備故障的嚴(yán)重程度。

圖4 故障診斷算法框圖

圖5 振動(dòng)篩測(cè)點(diǎn)位置分布圖

圖6 非電機(jī)側(cè)激振器各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)

表1 各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度

注：表中數(shù)據(jù)取2～2 000 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)加速度當(dāng)日有效值的最大值。綠色表示正常；黃色表示預(yù)警，故障可接受；棕色表示故障明顯，只適合短期運(yùn)行；紅色表示報(bào)警，故障嚴(yán)重，必須停機(jī)。

由表1可知：振動(dòng)加速度主要在10月17—28日發(fā)生變化，位置在非電機(jī)激振器一側(cè)；通過7A和8H測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以初步判斷，非電機(jī)側(cè)輸出軸測(cè)點(diǎn)位置可能出現(xiàn)故障。

3.2 設(shè)備故障的確定

通過系統(tǒng)的頻譜分析功能可以看到各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜，其中含有間距為164 Hz的周期性特征頻率(圖7)，該頻率是軸承內(nèi)圈的損壞頻率。

圖7 振動(dòng)加速度頻譜圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在做好前期準(zhǔn)備工作后，于2017年10月28日對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和更換。拆解后的軸承內(nèi)圈如圖8所示。

圖8 軸承內(nèi)圈剝落損傷

通過趨勢(shì)分析和振動(dòng)信號(hào)分析，確定設(shè)備損壞位置和程度，并擇機(jī)停機(jī)維修，僅需更換軸承就能使設(shè)備正常運(yùn)行，從而避免了非計(jì)劃停機(jī)，同時(shí)使設(shè)備維修成本降低。

4 結(jié)語(yǔ)

采用設(shè)備智能化在線檢測(cè)系統(tǒng)代替人工點(diǎn)檢，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確判斷設(shè)備損傷部位，并指導(dǎo)設(shè)備維修方案的設(shè)計(jì)，有助于降低維修成本，減少非計(jì)劃停機(jī)，從而保證生產(chǎn)的高效、有序進(jìn)行。該系統(tǒng)幫助酸刺溝選煤廠實(shí)現(xiàn)了設(shè)備智能化點(diǎn)檢，有利于持續(xù)創(chuàng)造生產(chǎn)價(jià)值，同時(shí)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。