振動監測在金屬礦山設備管理中的應用

溫學鵬

（招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦，山東煙臺 265400）

0 引言

近年來大數據應用發展趨勢更加成熟，在礦山層面開展了提升系統、選礦系統、排水系統、充填系統、供風系統、通風系統、安監系統等方面的建設及推廣，礦山智能化水平不斷提高。在設備管理方面除了應用先進的管理體系，實現設備健康狀況的在線監測和診斷也是進一步提升設備管理書評的重要途徑，其中振動監測是監測設備穩定運轉的重要參考依據。振動監測系統主要由振動加速度傳感器、數據采集單元、帶有分析軟件和數據庫的CMS服務器、電腦客戶端等組成。振動監測系統的功能是通過頻譜分析和加速度包絡分析，可以診斷如不平衡、不對中、松動、聯軸器故障、摩擦、軸承損傷、齒輪磨損、斷齒、電機電氣故障、結構共振等常見機械故障，予以預測和報警以實現對設備進行保護[1-2]。

金屬礦山需進行振動監測的設備主要涉及水泵、圓錐破碎機、球磨機、渣漿泵等，本次項目是在對設備實行多元振動監測及傳感器的信息數據采集后，通過控制中心的界面對設備振動形態與數據實現在線顯示和監控，對波形和頻譜變異性的異形數據進行提取，將其與設備故障等級形態及數據進行比較，實現對設備故障的早期診斷，尤其是實現對設備突發性故障的即刻診斷與保護。當設備出現振動異常時，智能系統將對異常設備擔負的工藝進行合理處置，包括對上下游涉及的工藝處理，有備用則切換備用設備，無備用設備則根據故障類型及程度實行報警或關閉故障設備報警[3-4]。在保證設備安全的同時，對生產流程工藝及設施實行最大限度的保護，避免造成工藝流程的混亂及減小生產恢復的處理難度。

1 振動監測設備安裝

振動監測系統數據采集單元位于設備現場，實現監測參數的采集、信號調理、模數轉換和數據的預處理功能，并將數據上傳到服務器。服務器位于PLC 室的網絡機柜內，主要負責接收數據采集單元上傳的數據并存儲、運行可視化界面程序并實時顯示機組振動狀態、在線分析機組振動狀態，可提供外連實時數據分析接口以及歷史數據管理功能。

表1 中設備均為滾動軸承設備，主要通過振動加速度傳感器監測軸承部位高中低頻的振動狀態，通過長期的趨勢監測跟蹤設備的狀態變化。

表1 初步設置監測的設備情況

2 測點布置及監測數據

2.1 設備監測點布置

測點的布置由專業工程師根據經驗確定，積累一段時間的數據后，可根據振動信號的實際情況進一步優化測點位置。根據設備分布情況，設置10 個現場監控箱，各現場監控箱通過交換機接入服務器。對應的測點有：電機非驅動端垂直、電機驅動端垂直、泵非驅動端水平、泵非驅動端垂直、泵驅動端水平、泵入口端軸向，每個位置設2 個傳感器，傳感器型號為AS-062。

2.2 監測變量

振動監測軟件共有5 個振動變量，分別為ISO 通頻值、加速度包絡值、高頻總值、加速度峰值、1～1000 Hz 速度值。其中，ISO通頻值是振動大小判斷的標準，代表監測點振動烈度；加速度包絡值對軸承齒輪的早期磨損等故障檢測較敏感；高頻總值是波形數據的總體計算，輔助于一些復雜情況的振動分析；加速度峰值是運動的加速度最大絕對值，用于輔助一些復雜情況的振動分析；1～1000 Hz 速度值是原始波形進行濾波下進行頻譜分析，可以避免其他干擾。另外，ISO 通頻值是直觀振動大小變量的，而其他4 個值是配合振動頻譜分析所需要的。

3 振動監測系統運行及應用

振動監測系統軟件為VbStone 智能監控系統，主要負責對生產過程的設備運行數據進行實時監測，為使用者提供設備的運行狀態分析。

3.1 系統對振動監測數據的使用

控制系統利用設備振動監測，通過對趨勢跟蹤及對不同特征值類型和對設備故障的預測級別的診斷報警，利用某些設備監測的振動特征量可對工藝狀態實行輔助判斷與識別。如控制系統利用設備狀態監測系統對球磨機實時監測的振動特征量分析：通過設備內介質沖擊的頻譜數據，對球磨機的礦石裝載量狀態進行判別佐證，有利于選礦智能系統對工藝狀況實行多側面的監測與分析，進而對工藝實行準確的判定識別，更有利于對工藝的的控制優化。通過TCP/IP 協議，使用數據庫通訊，控制系統與振動監測系統已實現數據聯通、畫面移植，主要應用工段有破碎、磨浮、二級泵，主要安裝設備有破碎工段的破碎機組（HP300圓錐破碎機、HP500 圓錐破碎機）、二級泵站渣漿機組（東渣漿泵、西渣漿泵）、磨浮球磨機組（4060 球磨機、3660 球磨機）、磨浮渣漿機組（東臺原礦泵、西臺原礦泵、北臺全尾泵、南臺全尾泵）五大機組，檢測設備共10 臺。

3.2 設備監控總覽

登陸后進入設備健康總覽頁面，默認顯示第一個設備的運行狀態，點擊左側機組選項可看查看所選機組每個設備下的測點連接、運行和健康狀態。同時，用戶可以通過單擊測點，進入到測點的設備總貌監視（狀態分為正常、中斷、運行、停止4 種，健康狀態分為嚴重、較嚴重、中度、輕微正常4 種）。

3.3 設備總貌監視

單擊設備總貌監視按鈕，可以查看設備下各個測點的運行狀態，可以選擇不同測點來查看它的運行的歷史告警信息。選中一條告警信息，下面的列表框會顯示詳細的告警原因，包括自動診斷結果（自動診斷根據各個變量的運行狀態計算得出）。

3.4 設備實時監視及振動趨勢分析

設備實時監控顯示設備下各個測點實時的運行值，每秒更新一次，可通過點擊具體設備進行對設備各個測點的檢測查看。設備趨勢分析顯示設備下各個測點的最近運行歷史值（1000 個數值）。

3.5 圖譜分析及設備歷史數據

圖譜分析分析顯示一個設備的運行圖譜。選中圖譜分析，選擇要分析的測點，首先顯示測點的運行時間點測得值的趨勢圖，單擊趨勢圖的一個具體的值的點，可以顯示該值對應的圖譜信息，通過圖譜信息可以分析運行過程中的數值變化。單擊設備歷史數據，可以查看測點下各個變量運行的歷史數據信息。歷史數據為統計信息，每隔1 h 統計前一小時內變量的最大值、最小值和平均值，并且根據平均值計算變量的運行狀態。

4 診斷實例

以東臺渣漿泵為例進行應用效果分析。從振動頻譜上可以判斷，電機為變頻電機，本次數據采集時轉速為612 r/min，轉頻為10.2 Hz。各測點的狀態分析如下：

（1）電機的非驅動端和驅動端的垂直振動值正常，各轉頻諧波都在正常范圍之內，說明設備平衡和對中狀態良好，未發現軸承缺陷頻率，設備狀態正常（圖1）。

圖1 電機非驅動端和驅動端垂直頻譜圖

（2）泵非驅動端水平和垂直方向振動值正常，振動值正常，各轉頻諧波都在正常范圍之內，設備平衡和對中狀態良好，未發現軸承缺陷頻率，設備狀態正常。但水平方向的頻譜中輕微邊帶成分，可能是物料沖擊影響（圖2）。

圖2 泵非驅動端水平和垂直頻譜圖

（3）泵驅動端水平方向振動值正常，各轉頻諧波都在正常范圍之內，設備平衡和對中狀態良好，未發現軸承缺陷頻率，頻譜中輕微邊帶成分，可能是物料沖擊影響，設備狀態正常（圖3）。

圖3 泵驅動端水平頻譜圖

（6）泵入口端軸向振動值正常，各轉頻諧波都在正常范圍之內，設備平衡和對中狀態良好，未發現軸承缺陷頻率，頻譜中輕微邊帶成分，可能是物料沖擊影響，設備狀態正常（圖4）。

圖4 泵入口端軸向頻譜圖

5 結論

振動監測系統安裝調試完成后，系統數據傳輸至控制系統，系統實現了對主要設備的監控與故障預警功能，對各個設備監測點的振動報警值已根據經驗設置，但后續還需根據礦山設備使用的數據積累來對報警上下限值進行修正。