張 鍇

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036000）

引言

與其他運(yùn)輸設(shè)備相比，輸送帶作為散狀物料運(yùn)輸設(shè)備具有運(yùn)輸距離長(zhǎng)、效率高、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)勢(shì)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但其在使用過(guò)程中常出現(xiàn)一些故障，如膠帶跑偏、膠帶打滑、撒料、異常噪音等，而一般傳輸帶發(fā)熱，并伴隨有節(jié)律性噪音，則為托輥軸承失效。輸送設(shè)備一般是全時(shí)運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障就意味著需要停工檢修，易引發(fā)各種問(wèn)題。所以對(duì)于皮帶托輥的故障分析研究具有實(shí)際的工程意義。本文研究應(yīng)用加速度傳感器對(duì)托輥振動(dòng)的信號(hào)提取，為了對(duì)比分析、排除一些背景噪音，同時(shí)采集一組沒(méi)有噪音的托輥信號(hào)，結(jié)合LMD算法分解與篩選，獲得了比較準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果[2]。

1 帶式輸送機(jī)常見(jiàn)故障

帶式輸送機(jī)在煤礦開采行業(yè)被廣泛的使用，無(wú)論是在車間對(duì)煤礦進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，還是在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)都可以見(jiàn)到輸送機(jī)的使用。由于帶式輸送機(jī)使用頻率高，而且一些地方受到物料載荷沖擊明顯，所以經(jīng)常導(dǎo)致輸送帶產(chǎn)生故障。

以TD300型帶式輸送機(jī)為分析對(duì)象，在其故障診斷方面已經(jīng)積累了較多的使用經(jīng)驗(yàn)，從使用者角度出發(fā)常見(jiàn)的故障主要包括如下幾類：皮帶運(yùn)輸機(jī)皮帶跑偏故障、皮帶運(yùn)輸機(jī)的撒料、噪音異常（主要是托輥中的軸承故障）、減速機(jī)的斷軸、皮帶打滑等故障。

帶式輸送機(jī)是一種在工業(yè)領(lǐng)域常用的設(shè)備，對(duì)于其故障類型有比較成熟的手段來(lái)判定、解決故障，本文基于某企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)托輥故障展開，由于皮帶噪音異常，且皮帶有發(fā)熱顯現(xiàn)，可以初步斷定是托輥內(nèi)軸承故障，出現(xiàn)卡滯導(dǎo)致皮帶與托輥摩擦。

2 振動(dòng)信號(hào)的采集

托輥是帶式輸送機(jī)上的關(guān)鍵部位，是帶式輸送機(jī)的牽引與承載構(gòu)件，屬于一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。本文研究對(duì)象為某散貨碼頭使用的傳送帶，該輸送帶的總體技術(shù)水平狀況可以概況為：拉伸強(qiáng)度 6 000 N/mm、帶厚 30 mm、帶寬 2 000 mm、工作溫度-50～200℃、織物芯輸送帶設(shè)計(jì)使用壽命5年。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。BM皮帶帶速為4.8 m/s、托輥軸承型號(hào)為SKF308、托輥直徑為194 mm，托輥組組成如圖1所示[3]。

圖1 托輥組示意圖

圖2 傳感器布置位置圖

在該帶式運(yùn)輸機(jī)的使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)皮帶的溫度異常升高，皮帶使用壽命嚴(yán)重下降，根據(jù)實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)在傳送帶受料處，伴隨有較為明顯的噪音。設(shè)備工作時(shí)滾筒驅(qū)動(dòng)皮帶，此次出現(xiàn)明顯噪音的托輥屬于是承載托輥，因其在受料處，因此受到較強(qiáng)的沖擊載荷，出現(xiàn)故障。為進(jìn)一步確定故障來(lái)源，在正常與故障的托輥相同位置安裝加速度傳感器，傳感器布置位置如圖2所示，采集托輥三個(gè)位置的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)對(duì)比分析，選擇W2位置所采集的信號(hào)進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)中使用傳感器為L(zhǎng)C0199型，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 LC0199型傳感器技術(shù)參數(shù)

輸送帶故障絕大部分原因是軸承的故障，根據(jù)噪音信號(hào)是由低端托輥組發(fā)出，并且呈現(xiàn)周期性特征，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中并未見(jiàn)較明顯的托輥軸心偏差，外觀無(wú)變形；托輥正常運(yùn)行噪音小，此時(shí)產(chǎn)生異常噪音一般是由軸承損壞，并發(fā)出周期性響聲[4]。

托輥組在運(yùn)行過(guò)程中軸承外圈靜止，內(nèi)環(huán)滾動(dòng)，若滾動(dòng)體與滾道面間無(wú)相對(duì)的滑動(dòng)，且軸承各零部件都視為剛體，則可以根據(jù)軸承的幾何尺寸與轉(zhuǎn)速計(jì)算出軸承各個(gè)部位的故障特征頻率。托輥軸承結(jié)果如下圖3所示，圖中：dm為軸承節(jié)徑；D為滾動(dòng)體直徑；α為接觸角。

圖3 托輥軸承結(jié)構(gòu)示意圖

因外圈靜止，所以內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率為fi，保持架旋轉(zhuǎn)頻率為fc。軸承零件表面產(chǎn)生損傷時(shí)，滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)造成沖擊，由沖擊引起的振動(dòng)的低頻分量被稱為“通過(guò)振動(dòng)”，其振動(dòng)頻率由損傷點(diǎn)所在位置決定，因此被稱為故障特征頻率[5]。

軸承元件工作表面的損傷點(diǎn)反復(fù)撞擊與之相接觸的其他元件表面而產(chǎn)生周期性的沖擊振動(dòng)成分，沖擊振動(dòng)的頻率一般在1 kHz以下，該頻率稱為軸承故障特征頻率，以下的理論公式可作為后文托琨振動(dòng)信號(hào)分析計(jì)算的理論依據(jù)。

內(nèi)圈故障頻率：

外圈故障頻率：

滾動(dòng)體故障頻率：

保持架故障頻率：

式中：fr為軸承旋轉(zhuǎn)頻率；N為球個(gè)數(shù)；D為軸承節(jié)徑；β為軸承壓力角。

3LDM算法的簡(jiǎn)介

局部均值分解（Local Mean Decomposition,LMD），是一種新的對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的方法，適合對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分解。LMD依據(jù)信號(hào)自身的信息進(jìn)行自適應(yīng)分解LMD分解最終目的是將原始信號(hào)分解為一系列的具有真實(shí)的物理意義的調(diào)頻信號(hào)與包絡(luò)信號(hào)的乘積函數(shù)。其利用移動(dòng)平均濾波法進(jìn)行平滑處理得到局部包絡(luò)函數(shù)，LMD的計(jì)算流程在此不再贅述。

通過(guò)計(jì)算分解得到的各層分量與原始待分解信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，可以用來(lái)判斷分解中的虛假分量。將LMD分解前六層PF分量的歸一化能量作為故障特征值，用于后文的故障模式識(shí)別中[6]。

4 托輥振動(dòng)信號(hào)的分析

故障診斷過(guò)程為獲取信號(hào)、提取故障的特征、最后識(shí)別故障類型。前文中已經(jīng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)獲取以及故障特征的提取方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述。在現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)共有兩組，一組為故障托輥信號(hào)、一組為正常托輥信號(hào)，LMD對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取分析，將兩組信號(hào)的結(jié)果作對(duì)比，可以更加準(zhǔn)確判斷到振動(dòng)信號(hào)中的非周期成分，以及一些設(shè)備自身的背景噪音。下頁(yè)圖4、圖5為發(fā)生故障前后LMD分解的前8層PF分量。

從LMD的結(jié)果來(lái)看，將正常信號(hào)與故障信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。故障信號(hào)LMD分解的前2階信號(hào)均為分解出來(lái)的噪音信號(hào)，LMD分解的結(jié)果擬合得到57 Hz、70 Hz、117 Hz、147 Hz，其中 117 Hz、147 Hz 出現(xiàn)在前兩階IMF分解中，可以初步判斷其為噪音信號(hào)。結(jié)合正常與故障信號(hào)LMD分解與傳統(tǒng)譜分析可以初步確定故障頻率為57 Hz、70 Hz，為進(jìn)一步確定故障信號(hào)的特征值，在此引入方差、峭度、脈沖指標(biāo)、有效值、峰值的評(píng)價(jià)指標(biāo)，特征值提取，提取出的特征值將用于軸承故障模式的識(shí)別中。

已知傳送帶的運(yùn)輸速度為4.8 m/s，可以得到軸承轉(zhuǎn)動(dòng)基頻為7.87 Hz，結(jié)合正常與故障信號(hào)LMD分解可以初步確定故障頻率為57 Hz、70 Hz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果57 Hz、85 Hz出現(xiàn)內(nèi)圈故障，所以綜合以上診斷結(jié)果確定57 Hz為故障源頻率，SKF308軸承滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=12，由經(jīng)驗(yàn)公式fi=0.6Zfr計(jì)算得到fi=0.6×12×7.87=56.6，驗(yàn)證軸承確實(shí)存在內(nèi)圈故障。

圖4 故障信號(hào)LMD分解后各層分量及頻譜圖

圖5 正常信號(hào)LMD分解后各層分量及頻譜圖

5 結(jié)論

1）LMD是一種新的對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析的方法，其依據(jù)信號(hào)自身的信息進(jìn)行自適應(yīng)分解，LMD獲取包絡(luò)函數(shù)的方法是利用移動(dòng)平均濾波法，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)包絡(luò)或欠包絡(luò)的現(xiàn)象，診斷分解結(jié)果更可靠。

2）本文結(jié)合LMD分解方法優(yōu)勢(shì)，LMD診斷故障頻率為57 Hz、70 Hz，經(jīng)公式驗(yàn)證存在內(nèi)圈故障，綜合以上分析結(jié)果可以確定故障頻率為57 Hz，由經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證了軸承存在內(nèi)圈故障。

3）軸承故障診斷已經(jīng)具有相當(dāng)可靠的數(shù)據(jù)，通過(guò)LMD算法可快速診斷得到故障源頻率，實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要意義。