烧结柔性传动系统远程智慧安全监测与预警

李贵文,蒋爱玲,罗云东

(1.宝武装备智能科技有限公司上海金艺检测技术有限公司,上海 201999;2.上海赛源环境检测技术有限公司,上海 200086)

1 概述

柔性传动装置是一种低速、传动转矩大、噪音低、结构紧凑、成本低的新型传动装置[1]。扭力杆在弹性模量范围内,承受扭力杆切线方向的力偶矩与冲击力,使扭力杆成为一个受扭转应力的扭杆弹簧,反之扭力杆又产生反作用力,自动调整两个小齿轮与大齿轮的啮合状态和负荷分配。由于扭力杆受小齿轮的力偶矩,其自动调整两个小齿轮与大齿轮的啮合状态和负荷分配。它可以改善制造与安装过程中误差造成的啮合不良问题,从而改善传动性能[1]。烧结台车一旦卡阻、负荷增大,导致柔性传动机构出现故障,对于烧结生产将是灾难性的后果。

柔性传动装置在生产中经常出现扭力杆断裂、拉杆蝶形弹簧压碎、拉压杆关节球形轴承破损等设备事故[2],国内烧结柔性传动系统几乎都没有安装保护装置。我们开发的烧结柔性传动安全保护装置实现了智能化的在线监测和运维,每年可大幅降低人工巡检及维护费用等。钢铁行业内宝钢股份宝山基地炼铁厂、韶关钢铁炼铁厂均已安装了我们自主研制开发的柔性传动系统保护装置,效果良好。从设备最优运行和无忧运行的角度,加装烧结柔性传动安全监测与预警保护装置,能及时有效预警烧结机卡阻故障,有效保护柔性传动系统,减少因柔性传动系统故障的停机次数,有效保障烧结系统的安全顺行。图1为某钢铁厂烧结柔性传动系统示意图。

图1 某钢铁厂烧结柔性传动系统示意图

2 关键技术

利用应力应变测试原理,针对现场情况采用特殊定制SHTC4400柔性传动系统安全监测与预警保护系统,在扭力杆安装扭矩传感器,扭矩信号经电缆进入数据采集箱,经过测试系统转换后输出扭矩信号,采集箱内置信号调理电路,保证输出的模拟量信号转化为数字信号。系统实现扭矩在线监测及最大扭矩值的实时输出、预警及报警。该信号的输出可以实现远端进行安全监测与预警保护。

2.1 系统架构

监测系统主要功能是柔性传动系统扭力杆扭矩监测,主要由传感器、监测系统、监控中心等构成,安装了经授权监测客户端的计算机,在任何地方可通过连接互联网即可访问数据中心,可完成远程控制及远程数据处理等多种操作。

系统采集数据存储在本地服务器,远程监测及分析平台安置在设备方,并具备完整的远程监测诊断分析软件平台,详见图2。

图2 烧结柔性传动系统远程智慧安全监测与预警系统图

2.2 测点位置及监测系统

经过软件平台数学模型分析,扭力杆反映的扭矩经过传动机构9.12倍的速比传递,与电动机电流反映的扭矩值有数值大小和方向上的一致性。通过应变检测的原理来实现扭力的现场实时监测,见图3。

图3 传感器的安装及防护

对传动轴扭矩的测试采用应变测试的原理进行。传感器采用带导线应变计、进口的扭矩测试专用应变计,现场安装,经过组桥后,用1根六芯屏蔽导线进行连接。应变计表面采用硅胶防潮保护,之后外部采用抱箍形式,抱箍容易拆装,抱箍拟采用不锈钢材料特殊定制,应变计导线由抱箍预留的出口孔引出。

对传动轴扭矩的测试采用应变测试的方法进行。圆杆表面受扭后,表面上属纯剪切状态。在轴线的±45°方向受拉压应力,且正应力σ45°和最大剪应力τmax相同。在轴线的±45°方向粘贴应变计,组成Wheatstone电桥,采用应变电测法做扭矩测试[3]。

利用式(1)、(2)可计算传动轴对应的应力值和扭矩:

(1)

式中:τ为测点剪应力,MPa;σ1为测点正应力,MPa;E为传动轴材料的弹性模量,E=2.06×1011Pa;μ为传动轴材料的泊淞比,μ=0.30;ε1为测点的测试应变值,με,1με=10-6。

(2)

检测元器件线性满足设备保护要求,且具备定期标定比对功能;采集箱采用16位D/A转换器,截止频率通过高性能低通滤波器实现;现场的传感器及数采机箱防护等级为IP65;独立的1A空气开关,用于控制外接电源与仪器的连接;采集系统的采样频率不低于每通道50 Hz;平衡清零和开机采样均可通过采集箱仪器面板手动控制,系统具备断电自启动恢复功能,系统参数可设置;历史数据具备时间戳。

2.3 软件功能

结构在线监测软件基于B/S构架,数据库采用My SQL数据管理系统,集数据采集分析、图形显示、远程控制及数据管理于一体,界面简洁美观,操作方便,完整直观地显示结构健康监测内容。软件可以对结构的营运状况进行24 h不间断监控,利用计算机的存储空间记录结构的状态参数,当结构出现事故前兆或意外事件时能够及时报警,并为了解事故现象和分析事故原因及造成的结构损伤提供可靠的数据支持。图4为软件系统界面图。

图4 软件系统界面图

功能:箱内系统硬件具有平衡清零、采样共两个硬件功能按钮,每个扭矩工作循环输出一个最大值,扭矩测试值的最大值、预警值及报警值的显示,扭矩最大值的趋势查询和显示,历史数据可存储、可查询和调阅。图5为数据实时波形图谱。

图5 数据实时波形图谱

用户可根据现场需要自行组态设计及更改登录界面,进行用户功能设置、采样功能设置、图谱分析、传感器的报警及管理,以及数据查询、系统工具、查看菜单、窗口菜单、视图操作等系统的辅助功能。

安全预警报警:用户可根据需要设置测点预警值和权重,通过公式或者算法直观显示报警信息及结构健康指数,一旦监测数据达到报警阀值,触发前后的所有数据存储至报警库中。具备手机APP、短信推送、邮件报警功能,将报警信息以短信或邮件的形式进行发送。

图6为安全监测与预警系统手机APP截图。

图6 安全监测与预警系统手机APP截图

3 应用及效果

2020年11月在某钢厂烧结机安装了1套烧结柔性传动系统保护装置,实现了远程智慧安全监测与预警,有效地保障了烧结机的无忧运行。

保护系统上线运行至今,监测数据显示大多数的时间里,生产负荷对于扭力杆形成的输出扭矩极值在60～8 kN·m之间;在生产负荷的过程中,2021年3月检测到扭矩极值达135 kN·m以上,达到预警门限值,及时进行了预警。通过长期监测扭矩趋势变化情况,监测数据可以有效显示设备的关键扭矩监测点数据趋势,对于设备的劣化趋势也是有效保护。

用户明确表示,该装置能及时预警烧结机卡阻故障,有效的预警报警保护柔性传动系统,使得原来柔性传动系统自身故障导致的停机次数从每月3次降低至每月1次及以下;国外进口的类似监测装置不具备远程监测和APP等功能,只具备机旁仪表功能,且价格高达150万元,采用我们自主研发的监测装置可为用户降低安全监测与预警装置采购成本约50%。烧结柔性传动安全保护装置实现了智能化的在线监测和运维,人工巡检负荷可以从每周1次降低至每月1次;同时可以降低由于烧结柔性传动系统故障引起的生产损失,间接减少每年由于柔性传动系统故障停机损失近千万元。

4 结语与展望

烧结柔性传动系统远程智慧安全监测与预警装置有效地解决了烧结柔性传动系统负荷生产时无实时监测和状态反馈的设备痛点。在智慧运维的模式下,实现了烧结机台车卡阻、扭力杆疲劳断裂等风险状态的监测与预警;实现了云端数据自动筛选和预警报警功能,对采集数学模型进行了验证和优化,按设定好的数据采集规则进行24 h不间断的数据采集与传输,并与计算分析的数值对比,进行实时预警及报警数据的推送。

烧结柔性传动系统远程智慧安全监测与预警装置的良好效果,为国内同类型烧结机传动系统安全保障提供了先进的技术手段,也为其他大型机械设备远程提供有效的实施路线,对于烧结设备实现远程智能运维有重要的借鉴和参考意义。