礦用振動篩異常振動的故障診斷系統研究

任雯輝

（臨汾宏大礦業有限責任公司，山西 臨汾 041000）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，越來越多的煤礦設備被應用到煤礦的開采中。在煤礦開采后，由于夾雜著較多的碎石及其他雜質，需要通過專門的設備對其進行洗選分離[1]。振動篩是實現煤礦洗選分離工藝的關鍵設備，主要負責原煤分級、洗后分級脫水及脫介質等作用。但在實際運行過程中，振動篩經常出現橫擺、振動劇烈、部件松動、煤料跑偏等故障現象，振動篩實物圖如圖1所示。據統計，在2016年，某洗煤廠就有60多起因振動篩故障而引起的系統停機維修的事故，這給煤礦的高效開采及企業經濟效益構成了嚴重影響[1-2]。因此，將當前更加先進的控制技術應用到設備故障診斷系統中，實現對設備運行時的故障診斷檢測，提高診斷系統的自動化及智能化水平，是當前企業關注的重點方向。為此，結合振動篩結構特點，開展了振動篩中故障診斷系統的設計研究，并對該診斷系統進行了現場應用測試，驗證了該系統的可靠性及可行性，提高了設備的生產效率及企業的經濟效益。

圖1 振動篩實物圖

1 振動篩結構組成及異常振動分析

根據市場上振動篩的結構特點，可知其結構主要由驅動系統、隔振系統、激振系統、篩體等組成，其中，驅動系統主要包括了驅動電機，通過萬向軸聯軸器與激振器進行相互連接[3]。激振系統則主要由偏心塊、齒輪、密封圈、軸等組成，主要負責產生不同大小的持續振動動力。根據振動篩的使用情況，其在運行時由于加工精度的不準、摩擦力矩的不同、彈簧剛度的不一致等因素，導致了振動篩出現了異常振動現象[4]。異常振動主要形式包括偏擺、運動紊亂、煤料跑偏等。同時，由于振動篩的振動頻率有高有低，較低頻率會使設備兩側板出現扭振和橫向扭擺現象，較高頻率則會使篩箱出現復雜的彈性性振動，將會出現彎曲、橫向、縱向的振動現象[5]。為此，在故障診斷系統設計中，需在箱體與四角支撐彈簧的聯結點處安裝相應的加速度傳感器，用于實現對箱體X、Y、Z方向的振動監測。

2 故障診斷系統設計

2.1 系統硬件設計

結合振動篩的結構特點及振動情況，開展了該設備故障診斷系統的設計研究。所設計的診斷系統包括了數據采集模塊、數據處理模塊、遠程控制中心、數據分析模塊、工控機、顯示屏等組成，主要負責對振動篩作業過程出現的異常故障情況進行實時診斷；其中，診斷系統的硬件部分數據采集卡選用了NI公司的高速采集卡及MOXA的多串口智能電量采集卡，主要負責對數據的實時采集[6]。傳感器則選用了4個振動加速度傳感器、2個溫度傳感器及1個電量傳感器等，振動傳感器可實現對設備X、Y、Z軸方向的振動信號進行檢測；溫度傳感器則固定在激振器上的溫度進行檢測；電量傳感器則主要對驅動電機的電壓及電流參數進行檢測。整套系統包括了數據采集、故障診斷、診斷報警及數據管理存儲等功能，所有采集數據能定時及時保存在數據庫中；當檢測到相關參數出現超限情況時，該系統能及時發出報警提示，并通過顯示屏進行故障的實時顯示，人員可根據故障情況快速進行故障排除維修。另外，選用了金屬磁記憶檢測設備對振動篩箱的裂紋進行探傷檢測，測量范圍為±2 000 A/m。最大測量步長為128 mm。也實現了對振動篩的遠程監控訪問，方便了后期對系統的集中管理及數據收集。故障診斷系統的功能框架圖如圖2所示。

圖2 故障診斷系統的功能框架圖

2.2 振動傳感器匹配設計

由于振動篩作業時將產生較大幅度的結構振動，這將導致整個結構極容易出現振動失效或局部松動等現象，故需選用振動傳感器，以此來完成對振動篩振動狀態的實時監控。故選用了市場上成熟的IEPE型壓電式振動傳感器。該傳感器安裝孔在中間部位，能同時對監測點上X、Y、Z方向的振動情況進行實時檢測。其原理為利用壓電效應，在受到外部作用力后，利用儀器接觸表面的電場變化來對振動信號進行檢測。振動傳感器加速度測量范圍為0~250g，工作電壓為DC 18~28 V，軸向靈敏度為20 mV/g，工作電流為2~10 mA。結合振動篩情況，選用了4個振動傳感器，主要安裝在振動篩左前彈簧上的五個區域，其監測點分布圖如圖3所示。

圖3 振動傳感器安裝監測點分布圖

2.3 激振器軸承監測

激振器主要安裝在振動篩的側板上，在作業時將受到來自振動篩反向的較大作用力，所受載荷較大；同時，由于軸承的摩擦相對較大，也會使激振器軸承溫度較高，故需對軸承振動及溫度進行監測。故選用了紅外溫度傳感器，并將其固定在電機軸承座上，利用傳感器上激光頭來檢測軸承外圈溫度；同時，振動加速度傳感器也固定在軸承座位置，以此檢測軸承的振動情況。激振器軸承狀態監測圖如圖4所示。

圖4 激振器軸承狀態監測圖

2.4 遠程檢測設計

當前，有效將計算機技術、網絡技術、傳感器檢測技術等進行結合，是實現設備遠程監測控制的發展方向。為此，在此故障診斷系統中，采用了Lab-VIEW軟件進行發布在診斷系統的網絡中，利用B/S網絡模式，進行系統的遠程監控設計。通訊協議則采用了TCP/IP協議通訊，遠程監控系統的數據則利用Web進行發布，用戶端上通過安裝的瀏覽器，輸入相應的IP地址，即可實現對服務器的地址訪問。Web服務器的界面圖如圖所示。為有效避免與其他控制系統的HTTP端口相互干涉，在程序中設計了一個1024端口號來解決此問題。Web服務器配置對話框如圖5所示。

圖5 Web服務器配置對話框

3 故障診斷系統的測試與驗證

在完成振動篩故障診斷系統的總體設計后，為驗證該系統的綜合性能，將該系統進行了應用測試，測試周期為6個月。在測試過程中，首先將相關的傳感器及其他儀器安裝在振動篩上。通過測試得出；該監控系統各項功能運行正常，能實時、準確地將振動、溫度及電量等相關數據進行分析、判斷和顯示，振動篩中的彈簧一致性也相對穩定；同時，系統出現的超限報警情況也正常顯示，人員僅需根據故障提示，對振動篩的故障現象進行實時維修，故障排除時間大大縮短。另外，對系統運行時的數據也能及時進行保護，并根據需求繪制成歷史變化曲線。據現場操作人員介紹，該故障診斷系統的成功應用，不僅提高了振動篩的故障診斷效率，也降低了設備的故障發生率，人員的勞動強度也大大降低，得到了人員的一致好評和認可，達到了預期效果。由此，驗證了該故障診斷系統的可行性。

4 結語

隨著控制技術的不斷發展，不斷對振動篩的故障情況進行實時、高效診斷，降低設備的故障發生率，是當前控制系統不斷升級改進的重要任務。為此，結合振動篩結構特點及異常振動情況，開展了振動篩故障診斷系統的總體設計及關鍵分系統研究，并對該系統進行了為期6個月的應用測試，測試結果表明：該故障診斷系統運行更加穩定，故障診斷功能更全面，能精準地將所采集的振動篩相關信號進行實時顯示，并對異常情況進行報警，大大降低了設備的故障發生率和故障檢修時間，人員勞動強度也明顯降低。這為下一步制定振動篩的維修升級措施提供了重要指導和保證。