振動篩故障診斷技術的研究狀況探析*

趙宣銘

(1.榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000；2.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055)

振動篩故障診斷技術的研究狀況探析*

趙宣銘1,2

(1.榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000；2.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055)

摘要：本文分析了振動篩診斷技術的研究現狀，探討了目前研究和應用的幾種主要的振動篩故障診斷技術優點、環境適應性以及局限性。針對現有技術、生產需求以及振動篩故障診斷技術必須具備的特點，對未來振動篩診斷技術的發展做出了展望。

關鍵詞：振動篩；故障診斷；研究方向

隨著科學研究事業的不斷發展，各類機械設備的結構中，高科技含量不斷增加，使得篩分機械設備所涉及的領域與應用變得越來越廣泛。對于有原材料生產以及應用的領域，都可以看到篩分機械設備，而在這些篩分機械設備中，最常用的設備就是振動篩。在煤炭工業部門、水利水電部門、交通工業部門甚至在環衛部門都已經應用到了振動篩，并起著至關重要的作用。

在現代大系統自動化流水生產中，系統中各個組成部分的工作狀態，不僅影響本部分機器設備本身的安全穩定運行，而且還會對后續生產造成直接影響，振動篩的故障對于應用振動篩的系統的正常工作起著十分重要的作用，故障嚴重時會造成重大經濟損失，甚至造成機毀人亡的事故，因此對振動篩進行故障診斷技術研究顯得十分迫切。目前，國內對振動篩的故障診斷研究仍處于起步階段，很長時間以來對振動篩的狀態監測和故障診斷還停留在傳統的人工故障診斷的方法上，一般憑借工人的經驗進行“望、聞、問、切”的事后處理方法，缺乏比較專門的、系統的方法進行故障診斷[1]。近年來，一些新興的故障診斷技術被應用到了振動篩的故障診斷當中，不僅可以對振動篩的一些潛在故障進行診斷，而且還能發現一些振動篩的設計缺陷，并能有效地解決傳統人工診斷方法只能在故障產生一些后果后才能發現的弊端，把振動篩的故障診斷技術提高到了一個新的層次。

1振動篩故障診斷技術分類

振動篩的故障診斷技術按故障產生的結果可以分為2大類：一類是對已知故障癥狀結果的診斷技術，如發現振動篩部件斷裂、破損，或是產生異響后，這些具有可見特征的故障，通常采用的傳統分析方法；另一類是對未知故障癥狀結果的診斷技術，如利用傳感器等元件采集振動篩工作狀態的異常信號，并進行分析推斷，查找故障原因，特別是能在振動篩未產生明顯故障征兆之前就發現故障并找到故障原因的意義是無可爭辯的[2]。

2振動篩故障診斷技術的主要研究方向

2.1傳感器振動信號采集、提取和分析技術

由于振動篩的工作是在振動環境下運行，所以通過振動信號傳感器進行振動信號采集和分析來實現故障診斷的技術應運而生。此方法具有實時、靈敏和高效等特點，因此是目前診斷技術中應用最廣泛的一種。

傳感器振動信號采集和分析法是通過對振動篩的多個關鍵點進行安裝高靈敏度的寬頻帶振動信號傳感器采集振動信號，并采集振動篩工作狀態時的振動信號，然后可以分析振動篩的振幅特征、響應譜或篩體的傳遞函數，再應用盲源分離算法提取出故障的特征振動信號，最后再利用神經網絡對故障模式進行識別。以常規的振動篩振動診斷系統為例，由于對激振器直接做振動測試有很大的難度，所以把振動信號采集點安裝在篩板上，并將兩部分看成一體，做同步運動，所以，測試篩板的振動量就能全面反映激振器所受的振動量。傳感器信號采集結構簡圖如圖1a所示，采集系統原理圖如圖1b所示。

圖1　采集點與系統原理圖

利用振動信號進行故障診斷方法可以對一些異常振動，如諧振、疲勞振動等引發的裂紋等故障做出盡早的預判，同時，此方法還可以對激振器進行監測，使激振器在單一頻率下工作，并且遠離電動機軸的固有頻率，避免出現共振現象。此方法的優點是不僅可以對振動篩進行故障診斷，還可對振動篩的振動狀態具有很好的監測效果。

2.2噪聲信號采集、提取和分析技術

在一些流水生產線如果停產就會帶來巨大損失的情況下，或者在振動傳感器不易安裝，高溫、高濕、高腐蝕、有毒、有害和其他一些不容易進行操作的環境下，振動診斷方法受到一定的局限，一般通過對設備運行所發出的噪聲進行監測和診斷來找出故障，尤其是利用噪聲進行監測有對設備無損、非接觸、在線和簡便易行等特點[3-7]，可以彌補振動診斷的一些不足。

噪聲信號分析技術是通過對受檢測振動篩附近選擇性地安裝高靈敏度的聲音信號采集器，獲取振動篩工作狀態的噪聲信號來進行分析，為了識別出不同的故障，還采用統計參量的辦法對各種故障進行模式識別。由于故障噪聲信號常常會受到其他各種噪聲的干擾，故障信息不能直接從時域或頻域上得到，為此，對獲取到的噪聲信號進行小波包分解，然后對故障樣本進行BP神經網絡訓練，訓練后的神經網格就是振動篩的聲學故障識別網絡[8-9]，可以對一些特定的故障進行故障識別，如軸承故障和電動機故障等。以常見的振動篩滾動軸承故障診斷系統為例，當滾動軸承出現故障時，故障位置在運行過程中會產生撞擊信號，而且這樣的信號會隨著軸承的轉動周期出現。對于無故障狀態來說，采集到的信號通常是連續平穩的信號，而故障位置所產生出的聲波波形通常是簡單的階梯或脈沖，但是被采集信號是從聲源傳播到信號采集器上，傳遞過程中受到干擾疊加形成復雜的新信號，又給故障的分析推斷增加了不少困難。具體的采集檢測原理如圖2所示。

圖2　噪聲采集檢測原理框圖

對于采集到的信號，先用濾波器過濾掉部分無用信號，再對不同轉速下的信號進行分析。由于故障點的位置、個數以及間隔距離都對獲得的信號有影響，所以應先對不同轉速下的信號進行分析。

噪聲信號診斷方法與其他方法相比有著信號測量無需粘附傳感器、測量方便靈活和不影響設備正常工作等優點,適用于高溫高濕及一些不易進行操作的生產環境，對一些特定故障的診斷的精度和效率都非常高，是振動篩故障診斷的有效方法之一。

2.3試驗模態分析技術

模態參數在機械系統的結構修改、優化設計、故障診斷以及振動噪聲控制等許多實際工程領域都有著廣泛的應用，它是現代工程設計方法中對機械結構進行動力學設計和動力學修改不可缺少的工具；因此，應用振動模態分析方法對振動篩進行故障分析，對故障診斷有著很大的幫助。

振動模態分析方法采用在關鍵測試點安裝加速度傳感器的方法，來采集振動篩在激勵系統下激發出來的關鍵頻段的模態信息，對采集到的信號進行處理獲得激勵力譜、FRF函數及相關函數，再分別利用峰值法、多參考點時域法和多參考點頻域法等多種方法對所測得的數據進行粗略估計,了解振動篩模態頻率分布的大致情況后,最后采用多參考點時域法進行參數識別，對幾個方向的激勵和響應進行對應分析,并進行對比驗證，試驗得到的模態參數結果，發現在某些點高階數振型異常，進而分析得出在使用過程中會出現諧振，容易對此位置造成損傷，得出此故障部位。在實際操作中，由于振動篩質量和體積等過于龐大，對于相同的激勵，采集點得到的響應幅值有著很大的差別，而且得到的模態頻率也相對較低，系統具有一定的非線性，所以經過對比和分析后決定采用多點激勵的模態試驗方案。試驗系統框圖如圖3所示。

圖3　振動篩振動模態試驗系統框圖

由于結構上的原因，不能夠同時對1個激勵點進行3個方向的激勵，故需要采取多點分方向激勵，這樣做是為了保證每個點都有2個方向的力進行激勵，并通過測試計算出所有的FRF，最終得到力譜、FRF函數及相干函數。為了準確地進行識別，分別利用峰值法、多參考點時域法和多參考點頻域法等多種方法對測得的數據進行粗略估計，在了解了振動篩模態頻率的大致分布狀況后，最后采用參考點時域法進行參數識別。

模態分析法可以很方便地檢查出振動篩的諧振部位，而且這些諧振部位對振動篩容易造成結構損傷；因此，模態分析法的提出對振動篩的檢測和改進設計都具有重要的實際意義。

2.4油液的光譜和鐵譜分析技術

在某些情況下，振動篩本身的振動信號會受到背景的振動或是振動物料的一些不確定因素的影響，這樣給采集振動信號或是其他噪聲信號帶來了一定的困難。研究發現，在生產中，激振器軸承油箱中潤滑油顏色很快變深，有粉末狀顆粒懸浮在潤滑油中，靜置后底部有金屬光澤的固體粉末沉積,更換新油后仍然出現上述現象，因此懷疑軸承可能出現了異常磨損,對此采用油液的光譜和鐵譜分析技術對振動篩進行監測。

首先，在振動篩激振器軸承油箱中的潤滑油定期換油前進行采樣，并用光譜儀對樣品進行分析，分析出樣品中所含的各種元素和含量；然后，找出這些元素是由哪些部件磨損產生出來的；最后，把樣品制作成鐵譜片并用顯微鏡進行觀測，當樣品中某一元素含量發生巨大變化時，此時鐵譜片分析出的磨粒濃度值也隨之增大，說明此時該元素所對應的部件可能已經開始疲勞磨損。

油液的光譜和鐵譜分析技術是對某些特定機械設備進行狀態監測的有效手段之一，它具有分析結果不受工況條件影響的特點。特別是在某些無法利用常規振動測試進行分析的條件下能起到獨特的作用，并能為有效把握設備狀態，對實施適時維修提供強有力的科學依據。

3振動篩故障診斷技術的特點

目前的振動篩故障診斷技術具有下述幾個特點。

3.1實時性

為了進行故障診斷，應能夠實時地獲得故障信息，并進行分析，得出結論，找出故障位置和故障原因，所以實時性是非常重要的。以振動信號采集法和噪聲信號采集法為例，兩者都可以在振動篩工作狀態下實時地獲取工作狀態信息，并同時進行分析，得到診斷結果，其中振動信號采集法還可以利用在關鍵部位放置傳感器來精確采集到某些關鍵點的異常振動，為及時查找出故障提供了便利，但是油液分析法就不具備這樣的特點。

3.2無損性

如果要對振動篩進行故障診斷，也應保證振動篩的完整性和連續工作的狀態。在某些情況下，如振動傳感器不便于安裝的高溫、高壓、有毒環境或是設計原因不便于安裝，以及不允許停機的狀況下，無損性就顯得尤為重要。以噪聲法和油液分析法最為常用，其中噪聲法安裝噪聲傳感器因為不需要接觸篩體，所以不受環境限制并且不會影響振動篩的正常工作；而油液分析法是在正常進行潤滑油更換的情況下進行采集，也不存在影響振動篩工作的情況。

3.3針對性

不同的診斷方法有不同的診斷技術，而這些技術也是針對特定的一些故障而研究出來的，所以具有很強的針對性。振動信號采集法和模態分析法可以很方便地發現諧振和一些異常振動，并能檢查出振動篩的諧振部位；而油液分析法可以針對因軸承和支架的損傷引起的材料磨粒混入油液，得出軸承和支架的疲勞磨損等故障。

3.4抗干擾性

設備故障要進行準確診斷，還有一點很重要的就是采集的信息不能受到其他因素的干擾，否則獲得的信息不準確，更不能精確地查找出故障并發現故障原因。振動信號采集法、噪聲信號法以及模態分析法對被診斷對象的環境要求相對較高，環境中的諸多因素都會導致采集到的數據，從而影響到診斷結果；所以，診斷方法中的抗干擾性就顯得很重要。油液分析法在抗干擾性方面顯得尤為突出，油液分析法的對象是采集到的潤滑油，而潤滑油在軸承箱中是密閉狀態，不會受到污染及其他影響，并且潤滑油的狀態穩定，分析對象也是其中的金屬元素，基本上不會受到外界因素的影響，所以說該診斷方法的抗干擾性是很強的。

4振動篩故障診斷技術的發展趨勢

隨著科學技術的迅猛發展，目前的診斷技術雖然取得了一定的進步，但仍然存在很多不足。傳統方法工作效率低，故障診斷率低，難以發現潛在故障；振動信號診斷方法中，振動信號受影響因素太多，采集到的難以分離出故障信號；噪聲信號診斷方法中噪聲信號衰減，受其他噪聲影響過多，難以獲取所需要的噪聲信號，并且噪聲信號診斷方法只可以對一些特定故障進行診斷，診斷故障種類過于單一；試驗模態分析方法也存在采集到的信號受其他因素影響過多，可以診斷的故障種類過于單一的問題；油液分析法存在時效性太差，不能及時獲得故障信息，并且對故障的診斷種類同樣也過于單一。

基于目前故障診斷技術的狀況，其性能將注重體現出下述幾方面的趨勢。

4.1診斷系統的智能性

振動篩的狀態監測與故障診斷的過程本應該是一個有機的整體，通過對振動篩工作狀態的實時監測，采集所需要的信號，然后對采集到的信號進行預處理，交給故障診斷系統，故障診斷系統再對信號進行分析，判斷是否出現故障并找出故障部位。隨著常識推理和模糊理論的廣泛應用，以及深層知識表示技術的成熟，專家系統則由基于規則和功能的推理模式向多知識表示、多推理機的多層次綜合型推理模式轉化，但隨著對人工神經網絡理論研究的進一步深入，計算機技術的迅猛發展，具有多功能、高性能和實時性的全智能的專家系統必將會成為振動篩故障診斷的發展方向。

4.2診斷系統的遠程性

當前對振動篩的監測主要是近距離監測，沒有開成專門的遠程診斷系統，這樣對監測人員的健康會產生不良的影響。因此，隨著計算機技術、傳感器技術、信號處理技術和人工智能技術的發展，數字化、遠程化、智能化將會成為振動篩故障診斷的發展方向。

4.3診斷方法的多樣性

基于振動測試和分析技術的振動篩故障診斷是當前振動篩故障診斷的主流，隨著聲學、測溫技術、油液分析技術、應力應變測試技術和無損檢測技術在故障診斷中的應用，以多種技術相結合，將各自特點運用到振動篩故障診斷中將成為今后的發展方向，振動篩故障診斷系統將會發展的更加完善和可靠。

4.4診斷系統的專業性

隨著振動篩向著標準化、系列化和通用化的方向發展，振動篩的故障診斷也必將向著專業化的方向發展，專門用于振動篩的故障診斷系統將會層出不窮，引導整個振動篩行業向著更高技術等級的方向發展。

5結語

振動篩故障診斷技術已經取得了很多可喜的進步，研究成果也令人鼓舞，但還遠遠未達到各種工況的實用要求。隨著傳感器技術、人工智能技術和計算機技術等的不斷發展，振動篩診斷技術一定能夠更加完善，振動篩領域的技術進步也將促進和影響其他相關領域的技術進步和提高。

參考文獻

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*陜西省教育廳資助項目(14JK1865)

責任編輯鄭練

Research on Analysis Status of Fault Diagnosis Technology of Vibrating Screens

ZHAO Xuanming1,2

(1.College of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China)

Abstract:The paper analyzed the research status of vibrating screen diagnosis technology and discussed the advantages, adapting environment and the limitations of present research and application of several main screen fault diagnosis technology on vibrating screens. Prospected the future of development of vibrating screens diagnosis technology based on existing technology, production demand and vibrating screens fault diagnosis technology characteristics.

Key words:vibrating screens, diagnosis technology, research direction

收稿日期：2015-01-05

作者簡介：趙宣銘(1982-)，男，講師，主要從事能源工程和機電工程等方面的研究。

中圖分類號：TH 237+.6

文獻標志碼：A