董永杰

(山西省太原市古交市西曲礦選煤廠，山西 太原 030200)

0 引 言

近年來，隨著快速掘進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦開采量在逐年增加。洗煤、選煤是選煤廠的主要任務(wù)和工作[1]。振動(dòng)篩是作為煤炭洗煤行業(yè)中的重要機(jī)械設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要的作用，當(dāng)前選煤廠的工作強(qiáng)度比較大，振動(dòng)篩處理重載作用下并且振動(dòng)篩動(dòng)作周期比較短，選煤介質(zhì)對(duì)于振動(dòng)篩連接件產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕作用，振動(dòng)篩非常容易出現(xiàn)故障，常見的故障主要有振動(dòng)篩軸承過熱、篩梁因疲勞引起的斷裂等，這些故障都會(huì)影響振動(dòng)篩的壽命，故障發(fā)生后進(jìn)行檢修需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，影響選煤廠的選煤效率和生產(chǎn)成本。為此，目前國內(nèi)某些選煤廠通過使用人工對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行巡視檢測，對(duì)某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)處進(jìn)行測量，導(dǎo)致工人勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，加上選煤廠環(huán)境較為復(fù)雜，采用人工的方式使得企業(yè)生產(chǎn)成本增加。為此，筆者提出了一種基于傳感器檢測的振動(dòng)篩故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)篩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)點(diǎn)和常見故障的監(jiān)測和診斷，便于及時(shí)預(yù)警潛在故障，及時(shí)進(jìn)行維修，保證設(shè)備可靠運(yùn)行，避免事故擴(kuò)大化，盡可能減少企業(yè)損失，提高選煤廠的工作效率和設(shè)備安全性。

1 選煤廠振動(dòng)篩常見故障分析

選煤廠振動(dòng)篩是在煤炭洗選行業(yè)中的一個(gè)重要機(jī)械設(shè)備，圖1所示為振動(dòng)篩基本結(jié)構(gòu)圖。

圖1 選煤廠振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)組成圖

振動(dòng)篩的基本工作原理是采用偏心塊作為振動(dòng)源，振動(dòng)篩梁和篩箱結(jié)構(gòu)比較簡單，采用高強(qiáng)度螺栓連接，使得振動(dòng)篩和選煤機(jī)之間的方便拆卸維修，振動(dòng)篩采用結(jié)構(gòu)比較簡單、不需要潤滑、拆卸方便的輪胎聯(lián)軸器，從而保證選煤機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，振動(dòng)幅度小而振動(dòng)頻率高。

常見的振動(dòng)篩主要包括固定篩、圓筒篩、滾軸篩和平面運(yùn)動(dòng)篩。在選煤廠中使用的振動(dòng)篩主要是平面運(yùn)動(dòng)篩，平面運(yùn)動(dòng)的軌跡可以分為直線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)三種形式。由于振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)過程常處于重載狀態(tài)，自身振動(dòng)頻率較高，結(jié)構(gòu)動(dòng)作比較頻繁，所以導(dǎo)致振動(dòng)篩廠處理周期性動(dòng)作過程中在某些結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處非常容易出現(xiàn)故障。目前，振動(dòng)篩常見故障及故障的外部表現(xiàn)有如下幾類。

(1) 篩梁疲勞斷裂。振動(dòng)篩梁在實(shí)際工作過程中受到多種載荷的共同作用，在長時(shí)間工作過程中非常容易引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞甚至有時(shí)候會(huì)受到?jīng)_擊載荷作用，所以振動(dòng)篩梁最常見的損壞形式就是篩梁的突然斷裂。主要故障形式分為兩種，管梁的斷裂和管梁上篩板的突然斷裂，斷裂之后的主要表現(xiàn)形式為振動(dòng)頻率突然增加，會(huì)產(chǎn)生脈沖振動(dòng)信號(hào)，可通過采集振動(dòng)頻率從而進(jìn)行故障診斷。

(2) 軸承溫升過快。由于振動(dòng)篩長期處于重載、大離心力工況下，同時(shí)受到惡劣環(huán)境的影響，伴隨著粉塵、潮濕、電磁振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境，當(dāng)缺少必要的潤滑和散熱措施時(shí)，在軸承位置處非常容易引起發(fā)熱。主要故障原因是沒有使用專用的軸承，軸承的徑向游隙非常小，軸承熱膨脹空間比較小、潤滑不充分等原因均會(huì)導(dǎo)致軸承故障，軸承故障的主要表現(xiàn)形式為軸承內(nèi)部溫升過快，可以通過檢測周圍位置處的溫度變化來判斷軸承故障。

(3) 聯(lián)軸器皮帶斷裂。聯(lián)軸器是連接電動(dòng)機(jī)和減速器的橋梁，在振動(dòng)篩中通常使用的是撓性聯(lián)軸器，允許一端由單獨(dú)的軸向位移，但是當(dāng)電動(dòng)機(jī)和激振器處于不同心時(shí)，長期運(yùn)轉(zhuǎn)將會(huì)導(dǎo)致聯(lián)軸器皮帶斷裂，聯(lián)軸器皮帶斷裂將會(huì)導(dǎo)致在聯(lián)軸器區(qū)域附近產(chǎn)生聲音的突變，為此可以通過使用振動(dòng)器來檢測聯(lián)軸器周圍的振動(dòng)信號(hào)，從而對(duì)故障進(jìn)行診斷。

2 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)時(shí)振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的核心，也是實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測和診斷的外部故障信號(hào)的接收端，主要由各種類型的傳感器和中央控制器組成，通過傳感器監(jiān)測振動(dòng)篩外部故障表現(xiàn)形式將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，監(jiān)控系統(tǒng)的CPU采用穩(wěn)定性較高、響應(yīng)速度較快的STM32微處理器，并有多個(gè)數(shù)據(jù)采集接口。

在振動(dòng)篩支撐彈簧位置處布置有一個(gè)振動(dòng)加速度傳感器，對(duì)振動(dòng)篩梁的結(jié)構(gòu)疲勞進(jìn)行檢測。同時(shí)在軸承位置處安裝有溫度傳感器，用于檢測軸承位置處的溫度變化。除此之外，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)還布置有電流傳感器、電壓傳感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路系統(tǒng)中的電流和電壓變化進(jìn)行監(jiān)控。圖2所示為振動(dòng)篩故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖。

由圖2可知，選煤長振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)主要包括感知傳感器、CPU中央處理器、人機(jī)交互界面等部分組成，其中的傳感器包括若干個(gè)溫度傳感器、振動(dòng)加速度傳感器和溫度儀表檢測儀等，用于檢測振動(dòng)篩梁、軸承以及聯(lián)軸器的故障表現(xiàn)特征，比如軸承溫度變化、振動(dòng)篩梁的振動(dòng)突變以及結(jié)構(gòu)的偶發(fā)性聲音頻率變化等，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸入到控制器中進(jìn)行分析與數(shù)據(jù)的對(duì)比，最終通過上位機(jī)顯示故障位置以及故障類型。此外，在振動(dòng)篩故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)中還包括網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和建立網(wǎng)絡(luò)通信。圖3所示為上位機(jī)軟件系統(tǒng)原理圖。

圖2 選煤廠振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)硬件原理圖

圖3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)模型

3 軟件設(shè)計(jì)及測試

對(duì)于振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的發(fā)送、故障信號(hào)的特征提取、利用中央處理器編入的算法進(jìn)行故障診斷，需要建立龐大的軟件控制系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)采用多線形式，主要的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷和在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，圖4所示為振動(dòng)篩故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)軟件原理圖。

圖4 振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

此次設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)包括不同的功能模塊，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)特征提取模塊、自學(xué)習(xí)模塊、故障診斷模塊、故障分析模塊以及輸出管理模塊等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，通過在軟件系統(tǒng)中設(shè)定故障的報(bào)警值，當(dāng)檢測到的物理信號(hào)超過警戒值時(shí)將會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒相關(guān)操作工人對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)生成歷史記錄。

圖5所示為振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)界面。通過故障診斷和識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在可能故障，保證振動(dòng)篩的正常工作。HMI界面主要包括信號(hào)采集顯示模塊、故障分析模塊、歷史記錄模塊等，對(duì)振動(dòng)篩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)上位機(jī)顯示界面

通過對(duì)選煤廠振動(dòng)篩故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并在國內(nèi)某選煤廠進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明采用本套故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)識(shí)別故障率達(dá)到95.96%，對(duì)潛在故障的識(shí)別精度達(dá)到94.2%，取得良好的應(yīng)用效果，相比于傳統(tǒng)的人工故障檢測和識(shí)別，識(shí)別精度更高，系統(tǒng)的可靠性較強(qiáng)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性和實(shí)用性，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語

為保證選煤廠振動(dòng)篩運(yùn)行的安全性和減少突發(fā)性故障被迫導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)影響選煤廠生產(chǎn)，對(duì)選煤廠振動(dòng)篩常見故障以及故障的表現(xiàn)形式進(jìn)行分析，提出了一套選煤廠振動(dòng)篩故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)方案，對(duì)組成故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了研究，通過提取振動(dòng)篩故障特征進(jìn)行辨識(shí)和分析，最終實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，避免突發(fā)事故的發(fā)生，提高振動(dòng)篩運(yùn)行的可靠性。通過現(xiàn)場工業(yè)性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用表明,此次設(shè)計(jì)的振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確提取振動(dòng)篩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的故障特征信號(hào)，并且能夠?qū)⒐收闲盘?hào)與設(shè)定樣本信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別出所屬的故障類型，完成了對(duì)振動(dòng)篩故障的監(jiān)測和診斷，取得良好的應(yīng)用效果，有效降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。