振動診斷技術在選礦設備上的應用

韓 雨

（萊蕪鋼鐵集團萊蕪礦業有限公司，山東 濟南 271100）

選礦是現代礦業生產中最為關鍵的工作，而在選礦實際操作中，涉及設備類型、數量眾多，且造價昂貴。在惡劣的作業環境中，很容易發生各類故障，一旦未能及時進行準確診斷，一些小的故障就會進一步擴大，致使設備運行中斷，不僅會產生大額維修費用，還會為選礦生產帶來巨大經濟損失。為探尋科學的選礦設備故障診斷方式方法，國內眾多學者開展了大量研究。李超（2019）等[1]從神經網絡技術層面對選礦設備診斷進行了研究，發現，該診斷方法雖具備較好的適用性，但在故障部位方面，無法做出準確判斷，為維護人員及時找出故障部位，快速解決故障問題增加了難度。本研究結合眾學者研究成果參考，提出從振動頻率方面對設備故障進行精準診斷，根據振動頻率變化情況判別設備是否存在故障，故障點在何處，從而為設備維護人員及時了解設備狀態，快速消除設備故障，免除安全事故發生。球磨機、鼓風機是選礦工藝中應用較為廣泛，且故障診斷難度較大的兩類設備，本文便以這兩種設備為對象，探究振動診斷技術的實際應用效果，現將研究結果匯報如下。

1 振動診斷系統配置

從結構上看，振動診斷系統較為復雜，硬件、軟件系統配置眾多。硬件系統主要包括無線監測器、無線監測站、系統中心服務器、局域網與web客戶端；軟件系統主要包含web應用軟件相關配置。

1.1 系統硬件配置

無線監測器：無線監測器是振動診斷系統的核心硬件設備，其主要用途是對設備振動頻率數據進行收集整理與分析。從結構上看，其核心構件主要包含振動加速度傳感器、溫度傳感器、信號采集處理電路等。

無線監測站：當無線監測器將處理后的信息傳輸至無線監測站后，即通過局域網傳送給系統中心服務器。

系統中心服務器：系統中心服務器是整個診斷系統的心臟，其主要功能包括數據信息接收、處理等。系統服務器主要應用IBMx3650硬件平臺，具備雙核或四核計算能力及矢量校準冷卻技術，可為數據中心電力與冷卻成本進行有效控制。

企業局域網：企業局域網的主要功能是數據傳輸，包括各硬件單元采集到的數據信息及分析結果。

web客戶端：從結構上看，web客戶端主要采用的是B/S結構。這一結構形式不僅實現了客戶端的統一，還能夠實現數據庫各類集中信息的交互[2]。客戶只需登錄web客戶端，就可以對系統信息進行遠程訪問。

1.2 系統軟件配置

振動診斷系統軟件主要為web應用軟件，從軟件構成看，其主要配置為括操作系統；數據庫PgSQL；設備狀態監測管理DX1000。通過相關軟件系統的組合應用，實現被檢設備相關信息的處理與web發布，從而對設備故障做出準確判斷。

2 振動診斷技術概述

2.1 振動診斷技術形式

振動診斷技術是現階段工業設備故障診斷中應用較為頻繁，且技術較為成熟的一種先進診斷技術。隨著各行業間先進技術的相互借鑒與傳播，該技術在選礦設備診斷中獲得了普遍應用。在選礦設備故障診斷中，對于振動診斷技術應用方式較多，但無論采用何種技術形式，都需要緊密結合被檢測設備故障特點，有的放矢地獲取振動信號，再運用不同診斷技術進行分析，從而達到設備故障類型及故障部位準確識別的目的[3]。然而，在振動診斷技術應用實踐中，因選礦設備類型眾多，故障類型也不盡相同，不同故障引起的振動信號表現形式各式各樣，且很容易受到外界振動信號的影響，因此，為保證故障部位判斷準確性，必須要借助數據信號處理手段進行全面的振動信號頻譜分析，最終對故障類型進行準確判斷，對故障點進行準確定位，以免故障再一次擴大，引發設備損壞，所以說，該診斷技術具備較高的便捷性與可靠性，可在工業設備故障診斷中廣泛應用。

2.2 振動診斷技術基本原理及分析方法

結合選礦設備故障診斷中振動診斷技術應用實踐來看，診斷系統所接收的信號為設備各部件發出的振動信號疊加。如果設備某個單元發生故障，故障點所呈現出的疊加信號就會出現異常，信號信息異常復雜，經系統對所有振動信息進行準確的分析與處理，就能對設備正常振動信號與異常振動信號進行準確判斷，從而對設備云翔狀態做出準確判斷[4]。這是因為設備狀態良好時，系統所接收的信號在任何時候都處于正常、穩定狀態，一旦某個區域發生故障，如機件連接不對中、安裝不平衡、齒輪出現齒面磨損、疲勞剝落、嚙合不良等故障時，經數據處理分析所得振動信號就會出現異常，呈現出故障特征頻率，檢測人員就可結合工作經驗及理論計算結果與頻譜分析結果，準確判斷故障類型與發生部位。

當前，選礦設備故障診斷中，常借助電壓加速傳感器進行振動信號收集。收集完相關振動信號信息后，電壓加速傳感器便對各類信息進行預處理分析，并將其轉換為電信號，然后再由相關軟件系統進行深度處理，從而獲得更為精確的振動數值，而這些振動數值變化規律就可以準確反映出設備運行狀態，從而為設備維修人員做出正確的故障診斷提供理論支撐[5]。因振動信號處理分析手段較多，本文主要結合選礦設備故障診斷，故采用振動值及頻譜圖進行分析。

（1）振動值。振動值大小主要反映的是運轉設備所產生的振動信號強弱程度，是選礦設備故障診斷的重要基礎數據，因此成為檢修人員進行設備故障診斷的主要一路。在選礦設備故障診斷中，檢修人員根據振動值大小、變化情況可準確判斷設備振動狀態是否正常。

工業設備振動值參考標準（ISO10826-3&10816-7）明確標注轉動設備轉速范圍120r/min～600r/min時，振動值≤4.8mm/s；如果轉速超過600r/min時，對設備運行實踐進行限制；當設備振動值＞7.1mm/s，必須立即停機進行檢修，以防止出現機損事故。

結合設備診斷實踐經驗分析，設備振動值會與多方面因素產生關聯，包括設備外圍條件、設備自身條件及檢測設備等，如果相關聯因素出現振動異常傳遞，也會造成設備故障診斷識別不準，必須經頻譜分析技術進行深度分析，從而為準確判別故障類型、故障部位提供有益參考[6]。

（2）頻譜分析。頻譜圖是設備上所安裝的加速傳感器在對相關振動信號數據采集后，經數據深度加工處理，得到頻域波形圖（橫坐標為頻率，縱坐標為加速度或振幅）。現實工作中，幅值譜是應用最為普遍的頻譜。工作人員根據頻譜上波形高度判斷設備振動頻率分量大小情況，可以說幅值譜反映的是選礦設備各組件振動頻率的組成與解構，是檢修人員準確識別故障類型及故障發生部位的主要參考。

由于頻譜圖能夠真實反映選礦設備改聘故障沖擊產生的微弱幅值信號會與其他高幅值低頻信號疊加信息，所以，在該技術應用早期，一般以高頻信號作為設備故障診斷的主要依據。實質上，對頻譜進行準確分析就是結合了不同設備、不同類型故障存在高頻段和低頻段兩種頻譜，這兩種頻譜便是對故障部位進行初步判斷的主要依據。然而，在進行頻譜分析時，因高頻段頻譜所呈現的譜峰較高，表示設備振動水平最高，因此一般以頻率幅值較高的譜峰進行頻率成分分析。

3 選礦設備故障診斷中振動診斷技術應用實踐

球磨機、鼓干風機是選礦工藝中應用最為普遍，且故障診斷難度較大的兩種設備，為判斷振動診斷技術在選礦設備診斷中的實際應用效果，本研究就以這兩種設備為對象展開振動診斷研究。

3.1 球磨機故障診斷中振動診斷技術的具體應用

本研究以某選礦企業2130球磨機為對象，通過試驗研究其小齒輪沖擊信號產生的原因及故障具體部位。2130球磨機電機參數如表1所示。

表1 2130球磨機電機參數

球磨機機組測點布置如圖1所示。

圖1 2130球磨機測點布置圖

球磨機測點定義如表2所示。

表2 2130球磨機測點位置標示

借助振動診斷系統對球磨機進行振動診斷，結果顯示7#測點，軸向出現二級報警，然后利用軸向波形頻譜圖進行測量，測量結果如圖2所示。

圖2 7#測點軸向加速度波形頻譜圖

7#測點軸向加速度波形頻譜圖上可以看到明顯的沖擊信號，結合經驗可判斷為隨著球磨機運轉時間的延長，齒輪齒面出現了局部點蝕、剝落、裂痕等損傷。而伴隨著磨損程度的進一步加重，齒輪間的縫隙就會進一步加大，所呈現出的沖擊信號就會越發明顯。由于該球磨機特征頻率是以設備旋轉頻率為間隔嚙合頻率及其倍頻調制而成，因此在其運轉過程中，沖擊信號的強弱程度會隨著嚙合頻率的高倍頻或分數諧波增減情況發生變化。球磨機小齒輪參數如表3所示。

表3 2130再磨機小齒輪參數

圖2軸向加速度波形頻譜圖中可見大量沖擊信號，起重最為突出的頻譜頻率為140Hz，對應的是2倍嚙合頻率，說明主導故障特征頻率為高倍嚙合頻率。即該頻率波動明顯時，球磨機小齒輪出現嚴重磨損，且大小齒輪間縫隙較大、齒面出現不同程度損傷。檢修人員立即關停設備進行小齒輪換面和磨修操作，振動沖擊立即出現明顯減弱趨勢，說明該診斷技術在球磨機故障診斷中，可快速找到故障類型及故障部位，具備較高的應用實用性。

3.2 鼓風機故障診斷中振動診斷技術的應用

鼓風機是大球除塵作業區的關鍵設備，某廠設備維護人員為保障大球除塵作業區2#鼓干風機運行可靠性與安全性，采用溫度與振動檢測方式進行故障診斷。

設備概況：

該鼓風機電機與風機額定工作轉速為1000r/min，設備上所有軸承均為滾動軸承。為準確診斷出設備故障點，維護人員對設備進行精確測點布置（圖3）。振動測試結果見表1。

圖3 設備簡圖、測點布置示意圖

從表4中相關數值可以看出，鼓風機1#測點水平方向振動位移與速度幅值最大，加速度振幅較小。2#測點水平方向最大振動速度為4.69mm/s，參照ISO2373振動速度診斷標準，可初步判斷該設備電機出現長周期故障隱患。為進一步明確故障點及故障類型，需從電機回轉頻率方面進行判斷。電機回轉頻率f1=n1/60=1000/60=16.67Hz，而2#測點水平、軸向振動速度頻譜圖來看，最突出振動頻率為16.563Hz，與上述計算值接近，而圖譜上再無其他特征頻率，可判斷該設備可能是安裝時未能達到平衡性標準，需進行拆卸重裝。

表4 鼓風機振動測試結果

如果安裝平衡后，仍有不平衡特征頻率，可判斷為橢圓形電機驅動端軸心軌跡引起振動特征，如暫時還未形成明顯故障，可縮短監測周期，關注振動變化趨勢，適時采取必要的維修手段，盡早消除不平衡隱患，保障電機運行穩定性[7]。

4 結語

伴隨著選礦行業的進一步發展，選礦設備正由高度自動化向高效性、高強度、高性能方向發展，基于此，及時發現選礦設備潛在故障，及時開展精準維修已成現在選礦企業的頭等大事。振動診斷技術因具備操作便捷、診斷效率高、準確率高等優勢被廣泛應用于現代化選礦設備故障診斷之中，并獲得了理想的額診斷效益[8]。本研究結合工作實踐，對振動診斷技術在球磨機及鼓風機故障診斷中的具體應用，從振動數據收集、頻譜分析等方面展開試驗研究，發現該診斷技術具備高效的實用性。通過該診斷技術的科學應用，維修人員可參照設備振動速度診斷標準對設備故障類型、故障部位進行準確判斷，以便及時采取必要的維修手段進行維修，消除故障隱患。對于企業而言，不僅保障了設備運行持續性，還降低的小故障不斷變大引發機損事故，實現了投入成本的節約，有效促進的企業生產效益的穩步提升。

目前，在選礦設備故障診斷中對于振動診斷技術的應用還處于初步研究階段，未能達到預期的操作簡便、診斷準確率高要求，仍需進一步探索研究，相信隨著研究力度的進一步加大及該技術工藝的不斷完善，必將為選礦設備早期故障診斷及后期故障抑制提供更為精準的數據支撐，為選礦企業實現高效、安全、可持續生產目標作出卓越奉獻。