李貴文,蔣愛玲,羅云東

(1.寶武裝備智能科技有限公司上海金藝檢測技術(shù)有限公司,上海 201999;2.上海賽源環(huán)境檢測技術(shù)有限公司,上海 200086)

1 概述

柔性傳動裝置是一種低速、傳動轉(zhuǎn)矩大、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的新型傳動裝置[1]。扭力桿在彈性模量范圍內(nèi),承受扭力桿切線方向的力偶矩與沖擊力,使扭力桿成為一個受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的扭桿彈簧,反之扭力桿又產(chǎn)生反作用力,自動調(diào)整兩個小齒輪與大齒輪的嚙合狀態(tài)和負(fù)荷分配。由于扭力桿受小齒輪的力偶矩,其自動調(diào)整兩個小齒輪與大齒輪的嚙合狀態(tài)和負(fù)荷分配。它可以改善制造與安裝過程中誤差造成的嚙合不良問題,從而改善傳動性能[1]。燒結(jié)臺車一旦卡阻、負(fù)荷增大,導(dǎo)致柔性傳動機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障,對于燒結(jié)生產(chǎn)將是災(zāi)難性的后果。

柔性傳動裝置在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)扭力桿斷裂、拉桿蝶形彈簧壓碎、拉壓桿關(guān)節(jié)球形軸承破損等設(shè)備事故[2],國內(nèi)燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)幾乎都沒有安裝保護(hù)裝置。我們開發(fā)的燒結(jié)柔性傳動安全保護(hù)裝置實現(xiàn)了智能化的在線監(jiān)測和運(yùn)維,每年可大幅降低人工巡檢及維護(hù)費(fèi)用等。鋼鐵行業(yè)內(nèi)寶鋼股份寶山基地?zé)掕F廠、韶關(guān)鋼鐵煉鐵廠均已安裝了我們自主研制開發(fā)的柔性傳動系統(tǒng)保護(hù)裝置,效果良好。從設(shè)備最優(yōu)運(yùn)行和無憂運(yùn)行的角度,加裝燒結(jié)柔性傳動安全監(jiān)測與預(yù)警保護(hù)裝置,能及時有效預(yù)警燒結(jié)機(jī)卡阻故障,有效保護(hù)柔性傳動系統(tǒng),減少因柔性傳動系統(tǒng)故障的停機(jī)次數(shù),有效保障燒結(jié)系統(tǒng)的安全順行。圖1為某鋼鐵廠燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)示意圖。

圖1 某鋼鐵廠燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

利用應(yīng)力應(yīng)變測試原理,針對現(xiàn)場情況采用特殊定制SHTC4400柔性傳動系統(tǒng)安全監(jiān)測與預(yù)警保護(hù)系統(tǒng),在扭力桿安裝扭矩傳感器,扭矩信號經(jīng)電纜進(jìn)入數(shù)據(jù)采集箱,經(jīng)過測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后輸出扭矩信號,采集箱內(nèi)置信號調(diào)理電路,保證輸出的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。系統(tǒng)實現(xiàn)扭矩在線監(jiān)測及最大扭矩值的實時輸出、預(yù)警及報警。該信號的輸出可以實現(xiàn)遠(yuǎn)端進(jìn)行安全監(jiān)測與預(yù)警保護(hù)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是柔性傳動系統(tǒng)扭力桿扭矩監(jiān)測,主要由傳感器、監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)控中心等構(gòu)成,安裝了經(jīng)授權(quán)監(jiān)測客戶端的計算機(jī),在任何地方可通過連接互聯(lián)網(wǎng)即可訪問數(shù)據(jù)中心,可完成遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理等多種操作。

系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存儲在本地服務(wù)器,遠(yuǎn)程監(jiān)測及分析平臺安置在設(shè)備方,并具備完整的遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷分析軟件平臺,詳見圖2。

圖2 燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)遠(yuǎn)程智慧安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)圖

2.2 測點(diǎn)位置及監(jiān)測系統(tǒng)

經(jīng)過軟件平臺數(shù)學(xué)模型分析,扭力桿反映的扭矩經(jīng)過傳動機(jī)構(gòu)9.12倍的速比傳遞,與電動機(jī)電流反映的扭矩值有數(shù)值大小和方向上的一致性。通過應(yīng)變檢測的原理來實現(xiàn)扭力的現(xiàn)場實時監(jiān)測,見圖3。

圖3 傳感器的安裝及防護(hù)

對傳動軸扭矩的測試采用應(yīng)變測試的原理進(jìn)行。傳感器采用帶導(dǎo)線應(yīng)變計、進(jìn)口的扭矩測試專用應(yīng)變計,現(xiàn)場安裝,經(jīng)過組橋后,用1根六芯屏蔽導(dǎo)線進(jìn)行連接。應(yīng)變計表面采用硅膠防潮保護(hù),之后外部采用抱箍形式,抱箍容易拆裝,抱箍擬采用不銹鋼材料特殊定制,應(yīng)變計導(dǎo)線由抱箍預(yù)留的出口孔引出。

對傳動軸扭矩的測試采用應(yīng)變測試的方法進(jìn)行。圓桿表面受扭后,表面上屬純剪切狀態(tài)。在軸線的±45°方向受拉壓應(yīng)力,且正應(yīng)力σ45°和最大剪應(yīng)力τmax相同。在軸線的±45°方向粘貼應(yīng)變計,組成Wheatstone電橋,采用應(yīng)變電測法做扭矩測試[3]。

利用式(1)、(2)可計算傳動軸對應(yīng)的應(yīng)力值和扭矩:

(1)

式中:τ為測點(diǎn)剪應(yīng)力,MPa;σ1為測點(diǎn)正應(yīng)力,MPa;E為傳動軸材料的彈性模量,E=2.06×1011Pa;μ為傳動軸材料的泊淞比,μ=0.30;ε1為測點(diǎn)的測試應(yīng)變值,με,1με=10-6。

(2)

檢測元器件線性滿足設(shè)備保護(hù)要求,且具備定期標(biāo)定比對功能;采集箱采用16位D/A轉(zhuǎn)換器,截止頻率通過高性能低通濾波器實現(xiàn);現(xiàn)場的傳感器及數(shù)采機(jī)箱防護(hù)等級為IP65;獨(dú)立的1A空氣開關(guān),用于控制外接電源與儀器的連接;采集系統(tǒng)的采樣頻率不低于每通道50 Hz;平衡清零和開機(jī)采樣均可通過采集箱儀器面板手動控制,系統(tǒng)具備斷電自啟動恢復(fù)功能,系統(tǒng)參數(shù)可設(shè)置;歷史數(shù)據(jù)具備時間戳。

2.3 軟件功能

結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測軟件基于B/S構(gòu)架,數(shù)據(jù)庫采用My SQL數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),集數(shù)據(jù)采集分析、圖形顯示、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)管理于一體,界面簡潔美觀,操作方便,完整直觀地顯示結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測內(nèi)容。軟件可以對結(jié)構(gòu)的營運(yùn)狀況進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)控,利用計算機(jī)的存儲空間記錄結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù),當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)事故前兆或意外事件時能夠及時報警,并為了解事故現(xiàn)象和分析事故原因及造成的結(jié)構(gòu)損傷提供可靠的數(shù)據(jù)支持。圖4為軟件系統(tǒng)界面圖。

圖4 軟件系統(tǒng)界面圖

功能:箱內(nèi)系統(tǒng)硬件具有平衡清零、采樣共兩個硬件功能按鈕,每個扭矩工作循環(huán)輸出一個最大值,扭矩測試值的最大值、預(yù)警值及報警值的顯示,扭矩最大值的趨勢查詢和顯示,歷史數(shù)據(jù)可存儲、可查詢和調(diào)閱。圖5為數(shù)據(jù)實時波形圖譜。

圖5 數(shù)據(jù)實時波形圖譜

用戶可根據(jù)現(xiàn)場需要自行組態(tài)設(shè)計及更改登錄界面,進(jìn)行用戶功能設(shè)置、采樣功能設(shè)置、圖譜分析、傳感器的報警及管理,以及數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)工具、查看菜單、窗口菜單、視圖操作等系統(tǒng)的輔助功能。

安全預(yù)警報警:用戶可根據(jù)需要設(shè)置測點(diǎn)預(yù)警值和權(quán)重,通過公式或者算法直觀顯示報警信息及結(jié)構(gòu)健康指數(shù),一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到報警閥值,觸發(fā)前后的所有數(shù)據(jù)存儲至報警庫中。具備手機(jī)APP、短信推送、郵件報警功能,將報警信息以短信或郵件的形式進(jìn)行發(fā)送。

圖6為安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)手機(jī)APP截圖。

圖6 安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)手機(jī)APP截圖

3 應(yīng)用及效果

2020年11月在某鋼廠燒結(jié)機(jī)安裝了1套燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)保護(hù)裝置,實現(xiàn)了遠(yuǎn)程智慧安全監(jiān)測與預(yù)警,有效地保障了燒結(jié)機(jī)的無憂運(yùn)行。

保護(hù)系統(tǒng)上線運(yùn)行至今,監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示大多數(shù)的時間里,生產(chǎn)負(fù)荷對于扭力桿形成的輸出扭矩極值在60～8 kN·m之間;在生產(chǎn)負(fù)荷的過程中,2021年3月檢測到扭矩極值達(dá)135 kN·m以上,達(dá)到預(yù)警門限值,及時進(jìn)行了預(yù)警。通過長期監(jiān)測扭矩趨勢變化情況,監(jiān)測數(shù)據(jù)可以有效顯示設(shè)備的關(guān)鍵扭矩監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)趨勢,對于設(shè)備的劣化趨勢也是有效保護(hù)。

用戶明確表示,該裝置能及時預(yù)警燒結(jié)機(jī)卡阻故障,有效的預(yù)警報警保護(hù)柔性傳動系統(tǒng),使得原來柔性傳動系統(tǒng)自身故障導(dǎo)致的停機(jī)次數(shù)從每月3次降低至每月1次及以下;國外進(jìn)口的類似監(jiān)測裝置不具備遠(yuǎn)程監(jiān)測和APP等功能,只具備機(jī)旁儀表功能,且價格高達(dá)150萬元,采用我們自主研發(fā)的監(jiān)測裝置可為用戶降低安全監(jiān)測與預(yù)警裝置采購成本約50%。燒結(jié)柔性傳動安全保護(hù)裝置實現(xiàn)了智能化的在線監(jiān)測和運(yùn)維,人工巡檢負(fù)荷可以從每周1次降低至每月1次;同時可以降低由于燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)故障引起的生產(chǎn)損失,間接減少每年由于柔性傳動系統(tǒng)故障停機(jī)損失近千萬元。

4 結(jié)語與展望

燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)遠(yuǎn)程智慧安全監(jiān)測與預(yù)警裝置有效地解決了燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)負(fù)荷生產(chǎn)時無實時監(jiān)測和狀態(tài)反饋的設(shè)備痛點(diǎn)。在智慧運(yùn)維的模式下,實現(xiàn)了燒結(jié)機(jī)臺車卡阻、扭力桿疲勞斷裂等風(fēng)險狀態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警;實現(xiàn)了云端數(shù)據(jù)自動篩選和預(yù)警報警功能,對采集數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗證和優(yōu)化,按設(shè)定好的數(shù)據(jù)采集規(guī)則進(jìn)行24 h不間斷的數(shù)據(jù)采集與傳輸,并與計算分析的數(shù)值對比,進(jìn)行實時預(yù)警及報警數(shù)據(jù)的推送。

燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)遠(yuǎn)程智慧安全監(jiān)測與預(yù)警裝置的良好效果,為國內(nèi)同類型燒結(jié)機(jī)傳動系統(tǒng)安全保障提供了先進(jìn)的技術(shù)手段,也為其他大型機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程提供有效的實施路線,對于燒結(jié)設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能運(yùn)維有重要的借鑒和參考意義。