在線監測診斷技術在帶式輸送機中的應用研究

劉成玉

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274000）

1 工程概況

山東新巨龍能源有限責任公司（以下簡稱“新巨龍能源公司”）位于山東省菏澤市巨野縣龍固鎮，東距巨野縣城約20 km，西距菏澤市40 km。井田位于巨野煤田中南部，井田面積180 km2，煤炭資源儲量16.83 億t。主采煤層平均厚度7.03 m，煤層賦存穩定、結構簡單，適合于重裝機械化、高效集約化開采，核定生產能力780 萬t/a。

新巨龍能源公司采用帶式輸送機進行原煤運輸，帶式輸送機及機電設備是新巨龍能源公司的核心設備，其運行穩定性和安全性是保證煤礦生產的基礎，必須對帶式輸送機運行情況進行實時監測，對運行故障進行有效診斷，對設備出現的問題及時進行維修和保養。該公司以往帶式輸送機軸承監測采用紅外溫度儀定期監測，從近年來監測實踐可知，帶式輸送機軸承采用單一溫度監測方法，難以完成設備安全監測和早期預警重任，帶式輸送機多次發生因軸承問題導致運行安全事故，該監測方法只在即將出現較嚴重故障時軸承溫度才會急劇上升。因此，有必要構建一種新型在線監測診斷系統[1-6]，對帶式輸送機電機、滾筒等關鍵設備振動、溫度數據進行監測，及時發現故障并進行維修，為保障帶式輸送機的安全穩定運行提供基礎。

2 新型在線診斷技術及振動溫度監測分析儀設計

2.1 新型在線診斷技術關鍵技術分析

2.1.1 小波包濾波技術

小波分析是一種時頻分析方法，在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。在小波分析理論基礎上發展形成了小波包分析，小波包分析可以為信號提供更加精細的分析。小波包分析中信號劃分更精細，可對頻帶部分多層次劃分，實現低頻和高頻的分解，基于分析信號特征自動進行頻帶的匹配，時頻分辨率大幅度提高。

在煤礦帶式輸送機運行故障診斷過程中，煤礦帶式輸送機部件發生故障后，各部件基于自身結構差異因素產生信號含非平穩成分。可利用小波包分析方法將帶式輸送機零部件含有大量非平穩成分信號進行分解，進而進行濾波處理，可有效提取軸承故障特征。

離散信號的小波包分解算法：

其中：pk、qk為小波包重構共軛濾波器系數。

2.1.2 故障定量識別技術

帶式輸送機振動信號經小波包濾波后，脈沖沖擊法處理，對帶式輸送機故障進行定量識別診斷。當金屬球與金屬板相撞的瞬間，會產生以壓力波形式從碰撞點向外傳遞并呈脈沖狀態的沖擊脈沖，沖擊脈沖最大幅值會較大但其持續時間非常短，會很快衰減，因此其頻率范圍很寬。若金屬板的某階固有頻率落在其頻率范圍內，則會激起金屬板該固有頻率的衰減振動，這即是共振，沖擊脈沖表現為斷續特征，沖擊脈沖的強弱可用來反映相撞故障的嚴重程度。帶式輸送機軸承故障定量識別可采用沖擊脈沖法，并采用分貝值進行尺度衡量，可有效地對帶式輸送機軸承整體運行狀態進行判斷。當分貝（dB）值小于21 時，表明帶式輸送機軸承工作狀態良好；當分貝（dB）值大于21 但小于35 時，表明帶式輸送機軸承處于故障早期，軸承出現有早期損傷現象；當分貝（dB）值大于35 小于60 時，表明此時帶式輸送機軸承已處于嚴重故障時期，軸承出現有明顯的嚴重損傷。

2.2 振動溫度監測分析儀設計

設計有SK-V201 型智能振動溫度監測保護儀對帶式輸送機軸承振動及軸承溫度進行連續監視和測量，對設備工作情況進行分析和維護。SK-V201 型智能振動溫度監測保護儀總體設計方案如圖1，采用ARM+DSP 的雙核處理架構。

圖1 SK-V201 型智能振動溫度監測保護儀設計方案

SK-V201 型智能振動溫度監測保護儀采用光纖振動傳感器和溫度傳感器對帶式輸送機電機、滾筒軸承等關鍵部件振動、溫度參數進行監測。采集的振動、溫度參數信號經信號調理電路、A/D 轉換模塊后，通過SPI 總線進入DSP 處理器處理，可及時掌握設備發生故障的類型和嚴重程度。DSP 處理器完成故障診斷后將振動、溫度數據和診斷結果上傳，通過ARM 處理器完成顯示、數據存儲、通信處理、數據備份轉存等功能。

3 在線監測診斷系統設計方案

3.1 運行工區井下鋼芯帶式輸送機監測系統測點

新巨龍能源公司運行工區井下鋼芯帶式輸送機監測系統測點情況如下所述：

1）C2 一部帶式輸送機測點分布：滾筒數量測點12，溫度數量測點24，振動數量測點24；電動機、減速器、耦合器數量測點3，溫度數量測點和振動數量測點均為6。

2）C2 二部帶式輸送機測點分布：滾筒數量測點8，溫度數量測點16，振動數量測點16；電動機、減速器、耦合器數量測點2，溫度數量測點和振動數量測點均為4。

3）3105 一部帶式輸送機測點分布：滾筒數量測點12，溫度數量測點24，振動數量測點24；電動機、減速器、耦合器數量測點3，溫度數量測點和振動數量測點均為6。

4）3105 二部帶式輸送機測點分布：滾筒數量測點11，溫度數量測點22，振動數量測點22；電動機、減速器、耦合器數量測點4，溫度數量測點和振動數量測點均為8。

5）5103 一部帶式輸送機測點分布：滾筒數量測點10，溫度數量測點20，振動數量測點20；電動機、減速器、耦合器數量測點3，溫度數量測點和振動數量測點均為6。

6）S1 帶式輸送機測點分布：滾筒數量測點11，溫度數量測點22，振動數量測點22；電動機、減速器、耦合器數量測點4，溫度數量測點和振動數量測點均為8。

7）S2 帶式輸送機測點分布：滾筒數量測點9，溫度數量測點18，振動數量測點18；電動機、減速器、耦合器數量測點4，溫度數量測點和振動數量測點均為8。

3.2 帶式輸送機在線監測診斷系統總體設計

新巨龍能源公司帶式輸送機軸承在線監測診斷系統總體設計方案如圖2。采用振動、溫度傳感器獲取帶式輸送機軸承運行狀態中振動、溫度信號，利用DSP 運行軸承在線監測診斷分析軟件對軸承故障類型和嚴重程度進行精準判斷，將診斷結果實時傳輸至地面監測站。

圖2 帶式輸送機在線監測診斷系統總體設計圖

3.3 實例分析

2021 年6 月，帶式輸送機在線監測診斷系統發現新巨龍能源公司C2 一部帶式輸送機出現滾筒軸承溫度偏高預警。利用在線監測診斷系統導出其報警振動信號，對該振動信號進行3層小波包分解后，得到第1層細節信號并進行包絡解調分析，如圖3所示。包絡解調譜中發現旋轉頻率及其2倍頻（2f）處出現大峰值，判定本次C2 一部帶式輸送機滾筒軸承振動劇烈的故障調制頻率。

圖3 C2 一部帶式輸送機報警信號的第1 層細節信號及其包絡譜

對C2 一部帶式輸送機所處巷道進行現場檢查發現，基于巷道下沉導致軸承內圈與軸兩者軸心線不重合。找到C2 一部帶式輸送機滾筒軸承溫度偏高預警發生的原因后，采取了針對性的處理措施，有效解決了軸承內圈與軸配合不當的問題，滾筒軸承溫度偏高預警消失。當前C2 一部帶式輸送機運行良好。

4結論

以小波包濾波技術與故障定量識別技術為核心，采用DSP+ARM 雙核處理系統的SK-V201 型智能振動溫度監測保護儀，構建新巨龍能源公司運行工區井下帶式輸送機在線監測診斷系統。在線監測診斷系統采用振動、溫度傳感器對滾筒軸承振動、溫度參數進行實時監測，對故障類型和嚴重程度進行精準判斷，實踐應用效果理想。