燒結柔性傳動系統遠程智慧安全監測與預警

李貴文,蔣愛玲,羅云東

(1.寶武裝備智能科技有限公司上海金藝檢測技術有限公司,上海 201999;2.上海賽源環境檢測技術有限公司,上海 200086)

1 概述

柔性傳動裝置是一種低速、傳動轉矩大、噪音低、結構緊湊、成本低的新型傳動裝置[1]。扭力桿在彈性模量范圍內,承受扭力桿切線方向的力偶矩與沖擊力,使扭力桿成為一個受扭轉應力的扭桿彈簧,反之扭力桿又產生反作用力,自動調整兩個小齒輪與大齒輪的嚙合狀態和負荷分配。由于扭力桿受小齒輪的力偶矩,其自動調整兩個小齒輪與大齒輪的嚙合狀態和負荷分配。它可以改善制造與安裝過程中誤差造成的嚙合不良問題,從而改善傳動性能[1]。燒結臺車一旦卡阻、負荷增大,導致柔性傳動機構出現故障,對于燒結生產將是災難性的后果。

柔性傳動裝置在生產中經常出現扭力桿斷裂、拉桿蝶形彈簧壓碎、拉壓桿關節球形軸承破損等設備事故[2],國內燒結柔性傳動系統幾乎都沒有安裝保護裝置。我們開發的燒結柔性傳動安全保護裝置實現了智能化的在線監測和運維,每年可大幅降低人工巡檢及維護費用等。鋼鐵行業內寶鋼股份寶山基地煉鐵廠、韶關鋼鐵煉鐵廠均已安裝了我們自主研制開發的柔性傳動系統保護裝置,效果良好。從設備最優運行和無憂運行的角度,加裝燒結柔性傳動安全監測與預警保護裝置,能及時有效預警燒結機卡阻故障,有效保護柔性傳動系統,減少因柔性傳動系統故障的停機次數,有效保障燒結系統的安全順行。圖1為某鋼鐵廠燒結柔性傳動系統示意圖。

圖1 某鋼鐵廠燒結柔性傳動系統示意圖

2 關鍵技術

利用應力應變測試原理,針對現場情況采用特殊定制SHTC4400柔性傳動系統安全監測與預警保護系統,在扭力桿安裝扭矩傳感器,扭矩信號經電纜進入數據采集箱,經過測試系統轉換后輸出扭矩信號,采集箱內置信號調理電路,保證輸出的模擬量信號轉化為數字信號。系統實現扭矩在線監測及最大扭矩值的實時輸出、預警及報警。該信號的輸出可以實現遠端進行安全監測與預警保護。

2.1 系統架構

監測系統主要功能是柔性傳動系統扭力桿扭矩監測,主要由傳感器、監測系統、監控中心等構成,安裝了經授權監測客戶端的計算機,在任何地方可通過連接互聯網即可訪問數據中心,可完成遠程控制及遠程數據處理等多種操作。

系統采集數據存儲在本地服務器,遠程監測及分析平臺安置在設備方,并具備完整的遠程監測診斷分析軟件平臺,詳見圖2。

圖2 燒結柔性傳動系統遠程智慧安全監測與預警系統圖

2.2 測點位置及監測系統

經過軟件平臺數學模型分析,扭力桿反映的扭矩經過傳動機構9.12倍的速比傳遞,與電動機電流反映的扭矩值有數值大小和方向上的一致性。通過應變檢測的原理來實現扭力的現場實時監測,見圖3。

圖3 傳感器的安裝及防護

對傳動軸扭矩的測試采用應變測試的原理進行。傳感器采用帶導線應變計、進口的扭矩測試專用應變計,現場安裝,經過組橋后,用1根六芯屏蔽導線進行連接。應變計表面采用硅膠防潮保護,之后外部采用抱箍形式,抱箍容易拆裝,抱箍擬采用不銹鋼材料特殊定制,應變計導線由抱箍預留的出口孔引出。

對傳動軸扭矩的測試采用應變測試的方法進行。圓桿表面受扭后,表面上屬純剪切狀態。在軸線的±45°方向受拉壓應力,且正應力σ45°和最大剪應力τmax相同。在軸線的±45°方向粘貼應變計,組成Wheatstone電橋,采用應變電測法做扭矩測試[3]。

利用式(1)、(2)可計算傳動軸對應的應力值和扭矩:

(1)

式中:τ為測點剪應力,MPa;σ1為測點正應力,MPa;E為傳動軸材料的彈性模量,E=2.06×1011Pa;μ為傳動軸材料的泊淞比,μ=0.30;ε1為測點的測試應變值,με,1με=10-6。

(2)

檢測元器件線性滿足設備保護要求,且具備定期標定比對功能;采集箱采用16位D/A轉換器,截止頻率通過高性能低通濾波器實現;現場的傳感器及數采機箱防護等級為IP65;獨立的1A空氣開關,用于控制外接電源與儀器的連接;采集系統的采樣頻率不低于每通道50 Hz;平衡清零和開機采樣均可通過采集箱儀器面板手動控制,系統具備斷電自啟動恢復功能,系統參數可設置;歷史數據具備時間戳。

2.3 軟件功能

結構在線監測軟件基于B/S構架,數據庫采用My SQL數據管理系統,集數據采集分析、圖形顯示、遠程控制及數據管理于一體,界面簡潔美觀,操作方便,完整直觀地顯示結構健康監測內容。軟件可以對結構的營運狀況進行24 h不間斷監控,利用計算機的存儲空間記錄結構的狀態參數,當結構出現事故前兆或意外事件時能夠及時報警,并為了解事故現象和分析事故原因及造成的結構損傷提供可靠的數據支持。圖4為軟件系統界面圖。

圖4 軟件系統界面圖

功能:箱內系統硬件具有平衡清零、采樣共兩個硬件功能按鈕,每個扭矩工作循環輸出一個最大值,扭矩測試值的最大值、預警值及報警值的顯示,扭矩最大值的趨勢查詢和顯示,歷史數據可存儲、可查詢和調閱。圖5為數據實時波形圖譜。

圖5 數據實時波形圖譜

用戶可根據現場需要自行組態設計及更改登錄界面,進行用戶功能設置、采樣功能設置、圖譜分析、傳感器的報警及管理,以及數據查詢、系統工具、查看菜單、窗口菜單、視圖操作等系統的輔助功能。

安全預警報警:用戶可根據需要設置測點預警值和權重,通過公式或者算法直觀顯示報警信息及結構健康指數,一旦監測數據達到報警閥值,觸發前后的所有數據存儲至報警庫中。具備手機APP、短信推送、郵件報警功能,將報警信息以短信或郵件的形式進行發送。

圖6為安全監測與預警系統手機APP截圖。

圖6 安全監測與預警系統手機APP截圖

3 應用及效果

2020年11月在某鋼廠燒結機安裝了1套燒結柔性傳動系統保護裝置,實現了遠程智慧安全監測與預警,有效地保障了燒結機的無憂運行。

保護系統上線運行至今,監測數據顯示大多數的時間里,生產負荷對于扭力桿形成的輸出扭矩極值在60～8 kN·m之間;在生產負荷的過程中,2021年3月檢測到扭矩極值達135 kN·m以上,達到預警門限值,及時進行了預警。通過長期監測扭矩趨勢變化情況,監測數據可以有效顯示設備的關鍵扭矩監測點數據趨勢,對于設備的劣化趨勢也是有效保護。

用戶明確表示,該裝置能及時預警燒結機卡阻故障,有效的預警報警保護柔性傳動系統,使得原來柔性傳動系統自身故障導致的停機次數從每月3次降低至每月1次及以下;國外進口的類似監測裝置不具備遠程監測和APP等功能,只具備機旁儀表功能,且價格高達150萬元,采用我們自主研發的監測裝置可為用戶降低安全監測與預警裝置采購成本約50%。燒結柔性傳動安全保護裝置實現了智能化的在線監測和運維,人工巡檢負荷可以從每周1次降低至每月1次;同時可以降低由于燒結柔性傳動系統故障引起的生產損失,間接減少每年由于柔性傳動系統故障停機損失近千萬元。

4 結語與展望

燒結柔性傳動系統遠程智慧安全監測與預警裝置有效地解決了燒結柔性傳動系統負荷生產時無實時監測和狀態反饋的設備痛點。在智慧運維的模式下,實現了燒結機臺車卡阻、扭力桿疲勞斷裂等風險狀態的監測與預警;實現了云端數據自動篩選和預警報警功能,對采集數學模型進行了驗證和優化,按設定好的數據采集規則進行24 h不間斷的數據采集與傳輸,并與計算分析的數值對比,進行實時預警及報警數據的推送。

燒結柔性傳動系統遠程智慧安全監測與預警裝置的良好效果,為國內同類型燒結機傳動系統安全保障提供了先進的技術手段,也為其他大型機械設備遠程提供有效的實施路線,對于燒結設備實現遠程智能運維有重要的借鑒和參考意義。