董永杰
(山西省太原市古交市西曲礦選煤廠,山西 太原 030200)
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振動(dòng)篩進(jìn)行巡視檢測,對某些關(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。
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),從而對故障進(jìn)行診斷。
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
對于振動(dòng)篩故障監(jiān)測與診斷系統(tǒng)包括對數(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。
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)行對比,識(shí)別出所屬的故障類型,完成了對振動(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。