矿用振动筛激振器故障监测系统设计与实施.pdf

第 48 卷 2020 年第 2 期 分选 编 辑 安 秀 清 51 23231251-1256 [10] ZHA G，YANG B，YANG C，et al. Selective separation and recovery of valuable metals by vacuum fistillation of vopper anode slime flotation tailings [J]. JOM，2019，71 72413-2419.  矿用振动筛激振器故障监测 系统设计与实施 姜 雪1,2，韩 越1，蔡道勇2，谷明霞1，郝妮妮1 1山东科技大学机械电子工程学院 山东青岛 266000 2山东科大机电科技股份有限公司技术中心 山东济宁 272000 摘要针对现有振动筛激振器振动信号采集困难、监测精度低等问题，提出一套激振器故障监测系统 的实施方案。采用无线传输的高频振动与温度监测器，采集运行中的激振器振动信号，由后台故障诊 断软件对激振器的状态信息进行加窗、滤波、FFT 变化以及包络分析等，得到振动加速度、速度、位 移波形信号，由云端专家诊断系统诊断出激振器内关键部件的故障。 关键词振动筛；激振器；故障诊断；振动分析 中图分类号TD454 文献标志码B 文章编号1001-3954202002-0051-05 Design and implementation on fault monitoring system for exciter of mine vibrating screen JIANG Xue1,2, HAN Yue1, CAI Daoyong2, GU Mingxia1, HAO Nini1 1College of Mechanical exciter; fault diagnosis; vibration analysis 基金项目国家重点研发计划资助 2018YFC0604702 作者简介姜 雪，男，1974 年生，博士，副教授，主要从事 矿山机械的教学以及相关技术的开发与应用研究工作。 振 动筛是洗煤厂的核心设备之一，主要应用于 原煤的分级、脱水、脱介方面[1-3]。而激振器 是整个振动筛的动力来源，提供激振力[4]。激振器运 行时产生的振动量是普通设备的几十倍甚至上百倍， [11] 王 东，林 东，聂光华．某碳酸盐型萤石矿浮选试验研究 [J]. 矿冶工程，2018，38540-43. □ 收稿日期2019-07-18 修订日期2019-10-09 由于偏心块产生的振动会覆盖内部部件损坏产生的振 动，并且设备在运行过程中人员无法靠近，因此普通 的检测手段无法准确地掌握激振器的状态。激振器轴 承的使用工况十分恶劣，与一般机械传动所用轴承相 比，它需要承受由离心力作用下偏心块产生的冲击， 而这种振动载荷是一种较高交变频率[5]的作用力；同 时，还存在由于热膨胀引起轴向移动、高速度、高加 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 分选 编 辑 安 秀 清 52 图 2 传感器的安装位置 Fig. 2 Installation location of sensor 图 1 激振器的结构 Fig. 1 Structure of exciter 速度、高温等其他工况。激振器的轴承、齿轮等出现 损伤后，如果检修不及时，会造成设备的二次损伤， 增加设备维修成本，甚至报废。因此，在激振器发生 故障前，迅速判断故障并做出预警，是维护振动筛设 备的关键工作。 1 激振器工作机理与监测方案 激振器实际是１台齿轮箱，包含 2 根主轴，每 根主轴上带 1 个齿轮和 2 个轴承，轴承对轴起固定作 用，且轴承为激振器专用轴承，保证齿轮可以高效、 快速运行。在激振器运行时，电动机带动偏心轮运 转，筛箱重心轴线围绕几何中心线进行转动，在垂直 方向以转速为周期做正弦运动。激振器结构如图 1 所 示。 由图 1 可知传感器拟安装位置共 A、B、C、D 4 点。齿轮的振动信号是通过轴承进行传递的，考虑 到设备结构以及现场环境影响、传感器的安全性和后 期维护；而且激振器整体尺寸较小，结构紧凑，长宽 高尺寸均在 1 m 以内，且转速较高；因此，轴承和齿 轮的故障数据信号可以在壳体上进行有效的传递。最 终确定在每台激振器上安装 2 只传感器，分别安装在 C、D 位置，安装方向分别为垂直方向 V 和水平方 向 H。其现场安装位置如图 2 所示，图中 1、2 位置 为电动机侧激振器 1 的测点，3、4 位置为非电动机侧 激振器 2 的测点。 2 传感器的选用 由于激振器转速较高，其主要旋转部件为轴承和 齿轮。其中，齿轮的故障主要通过其啮合频率 fc 及其 1 3 倍谐频进行判断，其故障分析频率段主要集中 在 3 kHz 以下，fc 的计算如式 1 所示。而轴承的故障 频率经过调制后通常表现在高频段，即 3 10 kHz 频 率段，其故障频率计算如式 2 5 所示。因此在选 择传感器时，应选用能够同时采集高频和低频信号的 振动传感器。 齿轮啮合频率 fc f1 z 1 f2 z 2， 1 内圈故障频率 ε MTBF MTBFMTTR 100， 2 外圈故障频率 PR K W t T K W T MTBF MTBFMTTR k i j kkk k i j pk k i j k kk [ , ] [ , ][ , ] T e TT ε 55 ， 3 滚动体故障频率 PRDPR k k i j TT 300 24 [ , ] ， 4 保持架故障频率 PR Kt B t KB K t MTBF MTBFMTTR i ii i B i i B i ii E ue E l E u l δρεδρ50 。 5 式中 f1、f2 为轴转频，Hz；z1、z2 为对应齿轮的齿 数；d 为滚珠直径，mm；D 为节圆直径，mm；n 为 滚珠数，个；α 为接触角。 高频振动与 温度监测器是山东科大机电科技股份 有限公司开发的用来监测机器重要部位的振动与温度 的无线传感器。它由电源模块、采集处理模块、无线 发送模块组成，封装在不锈钢外壳内。其内置压电晶 体加速度传感器和温度传感器，振动分析频率范围为 0.5 Hz 10 kHz，可以采集机器设备的动态振动加速度 信号和设备表面温度信号，通过无线传输的方式将测 量的数据发送至无线协调器。最终通过无线协调器传 输至后台故障诊断软件，对其进行滤波、加窗、FFT 变换、时频域分析、包络分析等。由云端专家诊断系 统判断出轴承、齿轮箱或轴系的故障，便于对激振器 进行预测性维修，减少非计划停机。无线高频振动/温 度监测器实物如图 3 所示，现场安装如图 4 所示。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 分选 编 辑 安 秀 清 53 图 3 无线高频振动温度监测器 Fig. 3 Wireless high-frequency vibration and temperature monitor 图 4 传感器的现场安装 Fig. 4 Field installation of sensor 图 6 3V 测点振动加速度均方根趋势 Fig. 6 Tendency of mean square root of vibrating acceleration at point 3V 3 故障监测系统架构及原理 振动筛激振器故障监测系统如图 5 所示。 该系统的工作原理如下 1 将高频振动与温度监测器安装在振动筛 激振器上，定时采集设备振动和温度数据，并将 数据通过无线网络 Zig Bee 传送到远程控制传输 箱。 2 远程传输控制箱用于接收高频振动与温度 监测器采集的数据，并通过 4G 网络将数据发送至 云服务器；同时用于管理高频振动与温度监测器 的无线网络。 3 振动筛故障诊断系统包括云服务器、云端专 家诊断系统、WEB 客户端等。云服务器主要用于存储 和管理激振器的监测数据，并为云端专家诊断系统、 WEB 客户端提供相关技术支撑；云端专家诊断系统、 WEB 客户端主要用于对激振器的监测数据进行基于振 动和温度的多维度、多角度数据分析和故障诊断，包 括报警管理、振动和温度趋势分析、基于波形数据的 时频域故障分析，例如时域分析、频域分析 幅值谱、 功率谱、倒数谱、相关分析、阶次分析、基于时域 和频域的包络谱分析、双图分析等数据分析方法。其 中，云端专家诊断系统需要用户通过 WEB 客户端对 系统内的专家进行提问，并开放相关数据权限才能使 用，是为解决客户没有相关专业技术人才而研发的系 统。 4 故障监测系统的应用 2019 年 4 月 15 日，笔者将 8 只高频振动与温度 监测器按照图 1、2 所示的方式和位置安装在某矿的 304 和 305 原煤分级筛上。 经过一段时间的监测，在 5 月 20 日，发现 304 原 煤分级筛激振器 2 上的 4H 测点的振动存在小范围的 上升，5 月 23 日之后，3V 和 4H 测点的振动均方根值 均开始大幅度的上升，其趋势如图 6、7 所示。激振器 2 的温度变化情况如图 8 所示。 图 7 4H 测点振动加速度均方根趋势 Fig. 7 Tendency of mean square root of vibrating acceleration at point 4H 图 5 振动筛激振器故障监测系统架构 Fig. 5 Frame of fault monitoring system for exciter of vibrating screen 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 分选 编 辑 安 秀 清 54 图 10 振动有效值变化前后，3V 测点的频域波形对比 Fig. 10 Comparison of frequency-domain wave at point 3V before and after variation of effective vibrating value a 3V 测点温度 b 4H 测点温度 图 8 激振器 2 的温度变化 Fig. 8 Temperature variation of exciter 2 图 9 振动有效值变化前后，3V 测点的时域波形对比 Fig. 9 Comparison of time-domain wave at point 3V before and after variation of effective vibrating value 由图 6、7 可知，激振器 2 在 3V 和 4H 2 个测点 的振动加速度均方根值在 5 月 23 日 6 月 6 日，均 呈现明显的大幅度、持续性上升趋势；其中，3V 测 点振动有效值由 25 m/s2 上升至 68 m/s2，上升 2.32 倍；4H 测点振动有效值由 5 m/s2 上升至 68 m/s2，上 升 13.6 倍。 由图 8 可知激振器 2 温度持续上升，温度由 60 ℃上升至 82 ℃，前后温差在 22 ℃，上升 1.37 倍； 其中 3V 测点的振动加速度有效值变化比温度的变化 更加剧烈。振动有效值变化前后 3V 测点的时域、频 域波形对比如图 9、10 所示。 在图 9、10 中，上图数据是正常信号，下图数据 是故障信号。 1 正常时域波形信号呈现明显的正弦波形，以 激振器轴的转速为周期，波形的最大值约为 40 m/s2； 故障时，时域波形被某一信号严重调制，其波形幅值 最大值约为 200 m/s2。 2 正常信号的频谱图中，主要频率成分为 13.34 Hz，为激振器轴的转频。故障信号频谱图的主要频 率特征也为 13.34 Hz，为激振器轴的转频。但频率在 100 2 000 Hz 有明显的特征频率，相邻谱峰值的间 隔约为 124 Hz，约为轴转频的 8.13 阶，推测为激振 器某一轴承的故障频率。对该故障信号的频谱其进行 包络解调，结果如图 11 所示。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 2 期 分选 编 辑 安 秀 清 55 图 13 拆解后的轴承 Fig. 13 Disassembled bearings 图 12 激振器２的振动加速度趋势轴承维护前后 Fig. 12 Comparison of vibrating acceleration tendency of exciter 2 before and after bearings maintenance 由图 11 可知时域包络谱中可见明显的冲击特 征，频域的包络解调谱中可见明显的特征频率，124.61 Hz 及其谐频，约为轴转频的 8.16 阶。经查询，该设 备的轴承型号为 22322，经过计算得到该轴承的内圈故 障频率为 125.7 Hz，与传感器测量得到的频率相近。 因此，断定该激振器轴承存在内圈故障，并及时通知 厂家。在 6 月 7 日对该激振器进行维护，更换激振器 后，振动趋势恢复至正常振动水平。维护前后振动趋 势对比如图 12 所示。该设备拆解后的故障轴承如图 13 所示，发现轴承内圈存在明显的损伤。 5 结语 故障监测系统选用无线高频振动与温度监测器采 集振动筛激振器的振动信号，由后台故障诊断软件对 设备状态信息进行 FFT 变化、包络等一系列处理，最 后由云端专家诊断系统根据处理后的数据信息对设备 进行故障诊断。现场应用证明，故障监测系统的实施 效果良好，能够在线监测激振器的运行状态，减少振 动筛非计划停机时间，有助于降低维修成本，实现设 备诊断的智能化。 参 考 文 献 [1] 白刘贵．刍议如何提高直线振动筛激振器维修效率 [J]．科技 创新与应用，2018292-95. [2] 邵振强．选煤厂振动筛常见故障分析及日常维护 [J]．科技资 讯，200929108. [3] 辛学铭，胡 炜，李玉璞．智能化在线监测系统在振动筛激 振器上的应用 [J]．选煤技术，20184171-175. [4] 段新豪，曲鹏哲，刘伟祥，等．偏心质量可调节惯性激振器 设计与分析 [J]．机械强度，2018，401160-164. [5] 白勇军，梁坤京．振动筛激振器轴承的可靠性问题及对策 [J]．矿山机械，2002762-64. □ 收稿日期2019-09-19 修订日期2019-10-08 图 11 故障信号的时域、频域包络解调谱 Fig. 11 Time-domain and frequency-domain envelope demodulation spectrum of fault signal 万方数据