选煤厂振动筛故障监测诊断系统的设计应用*

董永杰

(山西省太原市古交市西曲矿选煤厂，山西 太原 030200)

0 引 言

近年来，随着快速掘进技术的不断发展，煤矿开采量在逐年增加。洗煤、选煤是选煤厂的主要任务和工作[1]。振动筛是作为煤炭洗煤行业中的重要机械设备，在实现煤矿安全高效生产过程中发挥着重要的作用，当前选煤厂的工作强度比较大，振动筛处理重载作用下并且振动筛动作周期比较短，选煤介质对于振动筛连接件产生较强的腐蚀作用，振动筛非常容易出现故障，常见的故障主要有振动筛轴承过热、筛梁因疲劳引起的断裂等，这些故障都会影响振动筛的寿命，故障发生后进行检修需要耗费大量的时间，影响选煤厂的选煤效率和生产成本。为此，目前国内某些选煤厂通过使用人工对振动筛进行巡视检测，对某些关键结构处进行测量，导致工人劳动强度比较大，加上选煤厂环境较为复杂，采用人工的方式使得企业生产成本增加。为此，笔者提出了一种基于传感器检测的振动筛故障监测和诊断系统，可以实现对振动筛关键结构点和常见故障的监测和诊断，便于及时预警潜在故障，及时进行维修，保证设备可靠运行，避免事故扩大化，尽可能减少企业损失，提高选煤厂的工作效率和设备安全性。

1 选煤厂振动筛常见故障分析

选煤厂振动筛是在煤炭洗选行业中的一个重要机械设备，图1所示为振动筛基本结构图。

图1 选煤厂振动筛结构组成图

振动筛的基本工作原理是采用偏心块作为振动源，振动筛梁和筛箱结构比较简单，采用高强度螺栓连接，使得振动筛和选煤机之间的方便拆卸维修，振动筛采用结构比较简单、不需要润滑、拆卸方便的轮胎联轴器，从而保证选煤机的平稳运行，振动幅度小而振动频率高。

常见的振动筛主要包括固定筛、圆筒筛、滚轴筛和平面运动筛。在选煤厂中使用的振动筛主要是平面运动筛，平面运动的轨迹可以分为直线运动、圆周运动和复杂运动三种形式。由于振动筛的运动过程常处于重载状态，自身振动频率较高，结构动作比较频繁，所以导致振动筛厂处理周期性动作过程中在某些结构连接点处非常容易出现故障。目前，振动筛常见故障及故障的外部表现有如下几类。

(1) 筛梁疲劳断裂。振动筛梁在实际工作过程中受到多种载荷的共同作用，在长时间工作过程中非常容易引起结构的疲劳破坏甚至有时候会受到冲击载荷作用，所以振动筛梁最常见的损坏形式就是筛梁的突然断裂。主要故障形式分为两种，管梁的断裂和管梁上筛板的突然断裂，断裂之后的主要表现形式为振动频率突然增加，会产生脉冲振动信号，可通过采集振动频率从而进行故障诊断。

(2) 轴承温升过快。由于振动筛长期处于重载、大离心力工况下，同时受到恶劣环境的影响，伴随着粉尘、潮湿、电磁振动等复杂环境，当缺少必要的润滑和散热措施时，在轴承位置处非常容易引起发热。主要故障原因是没有使用专用的轴承，轴承的径向游隙非常小，轴承热膨胀空间比较小、润滑不充分等原因均会导致轴承故障，轴承故障的主要表现形式为轴承内部温升过快，可以通过检测周围位置处的温度变化来判断轴承故障。

(3) 联轴器皮带断裂。联轴器是连接电动机和减速器的桥梁，在振动筛中通常使用的是挠性联轴器，允许一端由单独的轴向位移，但是当电动机和激振器处于不同心时，长期运转将会导致联轴器皮带断裂，联轴器皮带断裂将会导致在联轴器区域附近产生声音的突变，为此可以通过使用振动器来检测联轴器周围的振动信号，从而对故障进行诊断。

2 软硬件系统设计

硬件系统时振动筛故障监测与诊断系统的核心，也是实现故障监测和诊断的外部故障信号的接收端，主要由各种类型的传感器和中央控制器组成，通过传感器监测振动筛外部故障表现形式将物理信号转变为电信号，监控系统的CPU采用稳定性较高、响应速度较快的STM32微处理器，并有多个数据采集接口。

在振动筛支撑弹簧位置处布置有一个振动加速度传感器，对振动筛梁的结构疲劳进行检测。同时在轴承位置处安装有温度传感器，用于检测轴承位置处的温度变化。除此之外，整个监控系统还布置有电流传感器、电压传感器等，实现对电路系统中的电流和电压变化进行监控。图2所示为振动筛故障监测和诊断系统硬件系统结构组成图。

由图2可知，选煤长振动筛故障监测与诊断系统主要包括感知传感器、CPU中央处理器、人机交互界面等部分组成，其中的传感器包括若干个温度传感器、振动加速度传感器和温度仪表检测仪等，用于检测振动筛梁、轴承以及联轴器的故障表现特征，比如轴承温度变化、振动筛梁的振动突变以及结构的偶发性声音频率变化等，将物理信号转变为电信号输入到控制器中进行分析与数据的对比，最终通过上位机显示故障位置以及故障类型。此外，在振动筛故障监测和诊断系统中还包括网络通讯系统，数据存储模块，用于对采集到的数据进行存储和建立网络通信。图3所示为上位机软件系统原理图。

图2 选煤厂振动筛故障监测与诊断系统硬件原理图

图3 上位机软件系统模型

3 软件设计及测试

对于振动筛故障监测与诊断系统包括对数据的采集、数据的发送、故障信号的特征提取、利用中央处理器编入的算法进行故障诊断，需要建立庞大的软件控制系统，软件系统采用多线形式，主要的功能是实现对采集到的数据进行故障诊断和在线实时监控，图4所示为振动筛故障监测和诊断系统软件原理图。

图4 振动筛故障监测与诊断系统软件结构图

此次设计的振动筛故障监测和诊断系统包括不同的功能模块，主要包括数据采集模块、信号特征提取模块、自学习模块、故障诊断模块、故障分析模块以及输出管理模块等，可以实现对应的功能，通过在软件系统中设定故障的报警值，当检测到的物理信号超过警戒值时将会发出报警，提醒相关操作工人对设备进行维护，同时生成历史记录。

图5所示为振动筛故障监测与诊断系统界面。通过故障诊断和识别系统实时监控，便于及时发现潜在可能故障，保证振动筛的正常工作。HMI界面主要包括信号采集显示模块、故障分析模块、历史记录模块等，对振动筛关键结构件运转状态进行实时监控。

图5 振动筛故障监测与诊断系统上位机显示界面

通过对选煤厂振动筛故障监测和诊断系统进行设计并在国内某选煤厂进行现场实验和应用，应用结果表明采用本套故障监测和诊断系统识别故障率达到95.96%，对潜在故障的识别精度达到94.2%，取得良好的应用效果，相比于传统的人工故障检测和识别，识别精度更高，系统的可靠性较强，验证了设计方案的正确性和实用性，取得较好的经济效益。

4 结 语

为保证选煤厂振动筛运行的安全性和减少突发性故障被迫导致系统停机影响选煤厂生产，对选煤厂振动筛常见故障以及故障的表现形式进行分析，提出了一套选煤厂振动筛故障监测和诊断系统方案，对组成故障监测和诊断系统的硬件和软件进行了研究，通过提取振动筛故障特征进行辨识和分析，最终实现故障报警，避免突发事故的发生，提高振动筛运行的可靠性。通过现场工业性实验和应用表明,此次设计的振动筛故障监测与诊断系统能够较为准确提取振动筛关键结构件的故障特征信号，并且能够将故障信号与设定样本信号进行对比，识别出所属的故障类型，完成了对振动筛故障的监测和诊断，取得良好的应用效果，有效降低了企业生产成本。