矿用振动筛异常振动的故障诊断系统研究

任雯辉

（临汾宏大矿业有限责任公司，山西 临汾 041000）

引言

随着国家对煤矿资源的大量开采，越来越多的煤矿设备被应用到煤矿的开采中。在煤矿开采后，由于夹杂着较多的碎石及其他杂质，需要通过专门的设备对其进行洗选分离[1]。振动筛是实现煤矿洗选分离工艺的关键设备，主要负责原煤分级、洗后分级脱水及脱介质等作用。但在实际运行过程中，振动筛经常出现横摆、振动剧烈、部件松动、煤料跑偏等故障现象，振动筛实物图如图1所示。据统计，在2016年，某洗煤厂就有60多起因振动筛故障而引起的系统停机维修的事故，这给煤矿的高效开采及企业经济效益构成了严重影响[1-2]。因此，将当前更加先进的控制技术应用到设备故障诊断系统中，实现对设备运行时的故障诊断检测，提高诊断系统的自动化及智能化水平，是当前企业关注的重点方向。为此，结合振动筛结构特点，开展了振动筛中故障诊断系统的设计研究，并对该诊断系统进行了现场应用测试，验证了该系统的可靠性及可行性，提高了设备的生产效率及企业的经济效益。

图1 振动筛实物图

1 振动筛结构组成及异常振动分析

根据市场上振动筛的结构特点，可知其结构主要由驱动系统、隔振系统、激振系统、筛体等组成，其中，驱动系统主要包括了驱动电机，通过万向轴联轴器与激振器进行相互连接[3]。激振系统则主要由偏心块、齿轮、密封圈、轴等组成，主要负责产生不同大小的持续振动动力。根据振动筛的使用情况，其在运行时由于加工精度的不准、摩擦力矩的不同、弹簧刚度的不一致等因素，导致了振动筛出现了异常振动现象[4]。异常振动主要形式包括偏摆、运动紊乱、煤料跑偏等。同时，由于振动筛的振动频率有高有低，较低频率会使设备两侧板出现扭振和横向扭摆现象，较高频率则会使筛箱出现复杂的弹性性振动，将会出现弯曲、横向、纵向的振动现象[5]。为此，在故障诊断系统设计中，需在箱体与四角支撑弹簧的联结点处安装相应的加速度传感器，用于实现对箱体X、Y、Z方向的振动监测。

2 故障诊断系统设计

2.1 系统硬件设计

结合振动筛的结构特点及振动情况，开展了该设备故障诊断系统的设计研究。所设计的诊断系统包括了数据采集模块、数据处理模块、远程控制中心、数据分析模块、工控机、显示屏等组成，主要负责对振动筛作业过程出现的异常故障情况进行实时诊断；其中，诊断系统的硬件部分数据采集卡选用了NI公司的高速采集卡及MOXA的多串口智能电量采集卡，主要负责对数据的实时采集[6]。传感器则选用了4个振动加速度传感器、2个温度传感器及1个电量传感器等，振动传感器可实现对设备X、Y、Z轴方向的振动信号进行检测；温度传感器则固定在激振器上的温度进行检测；电量传感器则主要对驱动电机的电压及电流参数进行检测。整套系统包括了数据采集、故障诊断、诊断报警及数据管理存储等功能，所有采集数据能定时及时保存在数据库中；当检测到相关参数出现超限情况时，该系统能及时发出报警提示，并通过显示屏进行故障的实时显示，人员可根据故障情况快速进行故障排除维修。另外，选用了金属磁记忆检测设备对振动筛箱的裂纹进行探伤检测，测量范围为±2 000 A/m。最大测量步长为128 mm。也实现了对振动筛的远程监控访问，方便了后期对系统的集中管理及数据收集。故障诊断系统的功能框架图如图2所示。

图2 故障诊断系统的功能框架图

2.2 振动传感器匹配设计

由于振动筛作业时将产生较大幅度的结构振动，这将导致整个结构极容易出现振动失效或局部松动等现象，故需选用振动传感器，以此来完成对振动筛振动状态的实时监控。故选用了市场上成熟的IEPE型压电式振动传感器。该传感器安装孔在中间部位，能同时对监测点上X、Y、Z方向的振动情况进行实时检测。其原理为利用压电效应，在受到外部作用力后，利用仪器接触表面的电场变化来对振动信号进行检测。振动传感器加速度测量范围为0~250g，工作电压为DC 18~28 V，轴向灵敏度为20 mV/g，工作电流为2~10 mA。结合振动筛情况，选用了4个振动传感器，主要安装在振动筛左前弹簧上的五个区域，其监测点分布图如图3所示。

图3 振动传感器安装监测点分布图

2.3 激振器轴承监测

激振器主要安装在振动筛的侧板上，在作业时将受到来自振动筛反向的较大作用力，所受载荷较大；同时，由于轴承的摩擦相对较大，也会使激振器轴承温度较高，故需对轴承振动及温度进行监测。故选用了红外温度传感器，并将其固定在电机轴承座上，利用传感器上激光头来检测轴承外圈温度；同时，振动加速度传感器也固定在轴承座位置，以此检测轴承的振动情况。激振器轴承状态监测图如图4所示。

图4 激振器轴承状态监测图

2.4 远程检测设计

当前，有效将计算机技术、网络技术、传感器检测技术等进行结合，是实现设备远程监测控制的发展方向。为此，在此故障诊断系统中，采用了Lab-VIEW软件进行发布在诊断系统的网络中，利用B/S网络模式，进行系统的远程监控设计。通讯协议则采用了TCP/IP协议通讯，远程监控系统的数据则利用Web进行发布，用户端上通过安装的浏览器，输入相应的IP地址，即可实现对服务器的地址访问。Web服务器的界面图如图所示。为有效避免与其他控制系统的HTTP端口相互干涉，在程序中设计了一个1024端口号来解决此问题。Web服务器配置对话框如图5所示。

图5 Web服务器配置对话框

3 故障诊断系统的测试与验证

在完成振动筛故障诊断系统的总体设计后，为验证该系统的综合性能，将该系统进行了应用测试，测试周期为6个月。在测试过程中，首先将相关的传感器及其他仪器安装在振动筛上。通过测试得出；该监控系统各项功能运行正常，能实时、准确地将振动、温度及电量等相关数据进行分析、判断和显示，振动筛中的弹簧一致性也相对稳定；同时，系统出现的超限报警情况也正常显示，人员仅需根据故障提示，对振动筛的故障现象进行实时维修，故障排除时间大大缩短。另外，对系统运行时的数据也能及时进行保护，并根据需求绘制成历史变化曲线。据现场操作人员介绍，该故障诊断系统的成功应用，不仅提高了振动筛的故障诊断效率，也降低了设备的故障发生率，人员的劳动强度也大大降低，得到了人员的一致好评和认可，达到了预期效果。由此，验证了该故障诊断系统的可行性。

4 结语

随着控制技术的不断发展，不断对振动筛的故障情况进行实时、高效诊断，降低设备的故障发生率，是当前控制系统不断升级改进的重要任务。为此，结合振动筛结构特点及异常振动情况，开展了振动筛故障诊断系统的总体设计及关键分系统研究，并对该系统进行了为期6个月的应用测试，测试结果表明：该故障诊断系统运行更加稳定，故障诊断功能更全面，能精准地将所采集的振动筛相关信号进行实时显示，并对异常情况进行报警，大大降低了设备的故障发生率和故障检修时间，人员劳动强度也明显降低。这为下一步制定振动筛的维修升级措施提供了重要指导和保证。