選煤廠振動篩故障監測診斷系統的設計應用*

董永杰

(山西省太原市古交市西曲礦選煤廠，山西 太原 030200)

0 引 言

近年來，隨著快速掘進技術的不斷發展，煤礦開采量在逐年增加。洗煤、選煤是選煤廠的主要任務和工作[1]。振動篩是作為煤炭洗煤行業中的重要機械設備，在實現煤礦安全高效生產過程中發揮著重要的作用，當前選煤廠的工作強度比較大，振動篩處理重載作用下并且振動篩動作周期比較短，選煤介質對于振動篩連接件產生較強的腐蝕作用，振動篩非常容易出現故障，常見的故障主要有振動篩軸承過熱、篩梁因疲勞引起的斷裂等，這些故障都會影響振動篩的壽命，故障發生后進行檢修需要耗費大量的時間，影響選煤廠的選煤效率和生產成本。為此，目前國內某些選煤廠通過使用人工對振動篩進行巡視檢測，對某些關鍵結構處進行測量，導致工人勞動強度比較大，加上選煤廠環境較為復雜，采用人工的方式使得企業生產成本增加。為此，筆者提出了一種基于傳感器檢測的振動篩故障監測和診斷系統，可以實現對振動篩關鍵結構點和常見故障的監測和診斷，便于及時預警潛在故障，及時進行維修，保證設備可靠運行，避免事故擴大化，盡可能減少企業損失，提高選煤廠的工作效率和設備安全性。

1 選煤廠振動篩常見故障分析

選煤廠振動篩是在煤炭洗選行業中的一個重要機械設備，圖1所示為振動篩基本結構圖。

圖1 選煤廠振動篩結構組成圖

振動篩的基本工作原理是采用偏心塊作為振動源，振動篩梁和篩箱結構比較簡單，采用高強度螺栓連接，使得振動篩和選煤機之間的方便拆卸維修，振動篩采用結構比較簡單、不需要潤滑、拆卸方便的輪胎聯軸器，從而保證選煤機的平穩運行，振動幅度小而振動頻率高。

常見的振動篩主要包括固定篩、圓筒篩、滾軸篩和平面運動篩。在選煤廠中使用的振動篩主要是平面運動篩，平面運動的軌跡可以分為直線運動、圓周運動和復雜運動三種形式。由于振動篩的運動過程常處于重載狀態，自身振動頻率較高，結構動作比較頻繁，所以導致振動篩廠處理周期性動作過程中在某些結構連接點處非常容易出現故障。目前，振動篩常見故障及故障的外部表現有如下幾類。

(1) 篩梁疲勞斷裂。振動篩梁在實際工作過程中受到多種載荷的共同作用，在長時間工作過程中非常容易引起結構的疲勞破壞甚至有時候會受到沖擊載荷作用，所以振動篩梁最常見的損壞形式就是篩梁的突然斷裂。主要故障形式分為兩種，管梁的斷裂和管梁上篩板的突然斷裂，斷裂之后的主要表現形式為振動頻率突然增加，會產生脈沖振動信號，可通過采集振動頻率從而進行故障診斷。

(2) 軸承溫升過快。由于振動篩長期處于重載、大離心力工況下，同時受到惡劣環境的影響，伴隨著粉塵、潮濕、電磁振動等復雜環境，當缺少必要的潤滑和散熱措施時，在軸承位置處非常容易引起發熱。主要故障原因是沒有使用專用的軸承，軸承的徑向游隙非常小，軸承熱膨脹空間比較小、潤滑不充分等原因均會導致軸承故障，軸承故障的主要表現形式為軸承內部溫升過快，可以通過檢測周圍位置處的溫度變化來判斷軸承故障。

(3) 聯軸器皮帶斷裂。聯軸器是連接電動機和減速器的橋梁，在振動篩中通常使用的是撓性聯軸器，允許一端由單獨的軸向位移，但是當電動機和激振器處于不同心時，長期運轉將會導致聯軸器皮帶斷裂，聯軸器皮帶斷裂將會導致在聯軸器區域附近產生聲音的突變，為此可以通過使用振動器來檢測聯軸器周圍的振動信號，從而對故障進行診斷。

2 軟硬件系統設計

硬件系統時振動篩故障監測與診斷系統的核心，也是實現故障監測和診斷的外部故障信號的接收端，主要由各種類型的傳感器和中央控制器組成，通過傳感器監測振動篩外部故障表現形式將物理信號轉變為電信號，監控系統的CPU采用穩定性較高、響應速度較快的STM32微處理器，并有多個數據采集接口。

在振動篩支撐彈簧位置處布置有一個振動加速度傳感器，對振動篩梁的結構疲勞進行檢測。同時在軸承位置處安裝有溫度傳感器，用于檢測軸承位置處的溫度變化。除此之外，整個監控系統還布置有電流傳感器、電壓傳感器等，實現對電路系統中的電流和電壓變化進行監控。圖2所示為振動篩故障監測和診斷系統硬件系統結構組成圖。

由圖2可知，選煤長振動篩故障監測與診斷系統主要包括感知傳感器、CPU中央處理器、人機交互界面等部分組成，其中的傳感器包括若干個溫度傳感器、振動加速度傳感器和溫度儀表檢測儀等，用于檢測振動篩梁、軸承以及聯軸器的故障表現特征，比如軸承溫度變化、振動篩梁的振動突變以及結構的偶發性聲音頻率變化等，將物理信號轉變為電信號輸入到控制器中進行分析與數據的對比，最終通過上位機顯示故障位置以及故障類型。此外，在振動篩故障監測和診斷系統中還包括網絡通訊系統，數據存儲模塊，用于對采集到的數據進行存儲和建立網絡通信。圖3所示為上位機軟件系統原理圖。

圖2 選煤廠振動篩故障監測與診斷系統硬件原理圖

圖3 上位機軟件系統模型

3 軟件設計及測試

對于振動篩故障監測與診斷系統包括對數據的采集、數據的發送、故障信號的特征提取、利用中央處理器編入的算法進行故障診斷，需要建立龐大的軟件控制系統，軟件系統采用多線形式，主要的功能是實現對采集到的數據進行故障診斷和在線實時監控，圖4所示為振動篩故障監測和診斷系統軟件原理圖。

圖4 振動篩故障監測與診斷系統軟件結構圖

此次設計的振動篩故障監測和診斷系統包括不同的功能模塊，主要包括數據采集模塊、信號特征提取模塊、自學習模塊、故障診斷模塊、故障分析模塊以及輸出管理模塊等，可以實現對應的功能，通過在軟件系統中設定故障的報警值，當檢測到的物理信號超過警戒值時將會發出報警，提醒相關操作工人對設備進行維護，同時生成歷史記錄。

圖5所示為振動篩故障監測與診斷系統界面。通過故障診斷和識別系統實時監控，便于及時發現潛在可能故障，保證振動篩的正常工作。HMI界面主要包括信號采集顯示模塊、故障分析模塊、歷史記錄模塊等，對振動篩關鍵結構件運轉狀態進行實時監控。

圖5 振動篩故障監測與診斷系統上位機顯示界面

通過對選煤廠振動篩故障監測和診斷系統進行設計并在國內某選煤廠進行現場實驗和應用，應用結果表明采用本套故障監測和診斷系統識別故障率達到95.96%，對潛在故障的識別精度達到94.2%，取得良好的應用效果，相比于傳統的人工故障檢測和識別，識別精度更高，系統的可靠性較強，驗證了設計方案的正確性和實用性，取得較好的經濟效益。

4 結 語

為保證選煤廠振動篩運行的安全性和減少突發性故障被迫導致系統停機影響選煤廠生產，對選煤廠振動篩常見故障以及故障的表現形式進行分析，提出了一套選煤廠振動篩故障監測和診斷系統方案，對組成故障監測和診斷系統的硬件和軟件進行了研究，通過提取振動篩故障特征進行辨識和分析，最終實現故障報警，避免突發事故的發生，提高振動篩運行的可靠性。通過現場工業性實驗和應用表明,此次設計的振動篩故障監測與診斷系統能夠較為準確提取振動篩關鍵結構件的故障特征信號，并且能夠將故障信號與設定樣本信號進行對比，識別出所屬的故障類型，完成了對振動篩故障的監測和診斷，取得良好的應用效果，有效降低了企業生產成本。