声振检测仪在烟草卷包设备故障诊断中的应用

摘要：烟草卷包设备在烟草的制造生产过程中起着重要的作用，卷包设备的故障除了具有一般旋转机械的共性，更具有远复杂于一般旋转设备的结构特性，传统的故障诊断方法效果甚微。为检测这类结构精密、轻载设备的故障，利用声振检测仪将振动信号和超声信号融合来提高设备的故障预警率。

关键词：烟草卷包设备；故障诊断；声振检测仪；烟草制造；旋转机械 文献标识码：A

中图分类号：TG333 文章编号：1009-2374（2016）05-0048-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.025

目前，我国卷烟制造量和消费量均占世界总量的三分之一，是全球最大的卷烟制造国和消费国。卷包设备是烟草生产制造中的核心设备，其运行速度快（目前国内最高达16000支烟/分钟）、价值高（一组16000的卷包设备价值上亿元人民币），所有卷包设备都是由电机、齿轮、轴承、凸轮、连杆等各种传动机构和控制机构组成。卷包设备的故障除了具有一般旋转机械的共性，更具有远复杂于一般旋转设备的结构特性。我国的一些高校、科研机构、企业在故障诊断的理论研究和应用领域取得了较大的进步，加速度、声发射及声强传感器在滚动轴承的故障诊断领域都有应用。加速度、声发射及声强传感器只能拾取其中一种参量，不可避免地产生误差及误判，并伴有其他缺点，加速度检测的缺点是灵敏度越高，量程越小，也越易损坏，同时容易受到噪声干扰，难以发现早期故障。声发射检测的缺点是灵敏度不高、输出阻抗高。声强传感器检测的缺点是只能检测行走部的异常响声，极易受到外界噪音的干扰。这些传统的故障诊断方法针对这类结构精密、轻载的设备效果甚微，因此采用声振检测仪对卷包设备进行故障诊断具有现实意义。

1 声振检测仪

1.1 声发射检测原理

材料受到外力或内力作用产生变形或者裂纹扩展时，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射。用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射检测技术，它是20世纪60年代发展起来的一种动态无损检测新技术，其利用物质内部微粒（包括原子、分子及粒子群）由于相对运动而以弹性波的形式释放应变能的现象来识别和了解物质或结构内部状态，声发射信号包括突发型和连续型两种。突发型声发射信号由区别于背景噪声的脉冲组成，且在时间上可以分开；连续型声发射信号的单个脉冲不可分辨。实际上，连续型声发射信号也是由大量小的突发型信号组成的，只不过太密集而不能分辨而已。目前对于声发射信号的分析方法主要包括参数分析法和波形分析法，把这两种方法有机结合实现对一些结构复杂、运行精准设备的运行状态诊测。

1.2 声振检测仪结构构成

声振检测仪由声振传感器、信号放大滤波模块、16位数据采集模块、数据处理（存储、分析）模块（MCU）、人机界面（LCD）五部分组成，其硬件结构图如图1所示：

1.3 声振传感器

声振传感器的灵敏度高于传统的加速度传感器及声发射传感器，带宽大，灵敏度高。声振传感器可以拾取高频脉冲振动、脉冲声发射、摩擦连续声发射等故障信息参量。

1.4 信号放大滤波模块

信号放大滤波模块主要包括放大电路、滤波电路以及为了匹配A/D采集芯片的需求，设计的电压偏置电路。放大滤波模块的主要作用有：放大采集信号，同时滤除各种噪声干扰，从而提高电路的信噪比；将双极性采集信号等比例变换为单极性信号，确保信号完整性。

1.5 数据采集模块

数据采集模块通过FPGA与ARM综合设计实现对采集系统的控制，采集信号通过A/D芯片实现模拟信号到数字信号的转换，添加RAM模块，存储数据，同时辅以以太网模块，将采集到的数据传送到主机进行分析处理。

1.6 数据处理模块（MCU）

数据处理模块结构如图2所示，主要包括Exynos4112处理器、内存及emmc。

采用三星Cortex-A9架构的Exynos4412作为主处理器。双通道DDR3 1G内存，4GB emmc对主处理器提供了强有力的支持。数据经由有线以太网拓展的Ethernet网口传输至Exynos4412进行分析和计算，处理结果以TTL信号的形式传输至LCD屏幕，辅以触摸屏，对仪器进行操作。

1.7 人机界面（LCD）

人机界面采用7寸高清TFT LCD触摸屏，用手指触摸屏幕，轻松实现对系统的控制。

2 声振检测仪故障诊断应用

利用该声振检测仪分别对三台GDX2烟支成型推杆传动箱和两台GDX1设备的机身进行了测试，其测试结果如下：

2.1 GDX2烟支成型推杆传动箱的故障诊断

将声振射传感器安装在GDX2烟支成型推杆传动箱的外部，安装部位如图3所示（其位置安装要求不高，只要在其关联的地方即可）。

对三台GDX2烟支成型推杆传动箱编号为1号、2号和3号，采用声振检测系统分别对三台正在工作的GDX2烟支成型推杆传动箱进行检测（图3，其三台设备都正常运行，相关运行速度不能相差太悬殊）。图4所示为对2号传动箱检测到的时域信号。

时域信号

从图4可以看到该信号有明显的周期性，通过分析，该信号的周期约为6Hz，也就是每分钟360次，这与实际运行情况相吻合，在实际运行中，为了保证安全运行和烟包质量的高要求，通常都会降低运行速度（最高速度为每分钟400次）。这种周期性说明在推杆箱的运行过程中，存在某个部件的振动能产生超声信号，这样也会为故障分析提供一个基准，当在这个信号周期内存在其他信号，可以认为推杆箱的某个部件存在一定的问题，通过进一步的分析来推断故障的原因及是否进行检修。

将测试结果与实际的设备运行状况进行了比较（1号传动箱的状况最好，2号和3号传动箱的状况较差），3号设备在接下来的一个星期其传动箱就发生了箱体内的传动滑块损坏，不得不进行维修后设备才能正常运行。测试结果与推杆传动箱的实际状况基本符合，说明声振检测仪可以对推杆传动箱进行故障检测。

2.2 GDX1包装机主机设备机身的故障检测

为了便于验证仪器测试的精确度，我们事前未选定任何设备，而是随机选择了对7号和9号卷包设备机身进行了测试（测试人员也未在此设备上工作），测试部位包括左机身、中机身和右机身，每个部位安装2个声振传感器，每台设备分别测试3次，卷包设备的现场测试图如图5所示。分别计算出每台设备的峭度（见表1）、高频能量比（见表2）和声振能量比（见表3）。

综合峭度、高频能量比和声振能量比结果可知，7号和9号卷包机的左机身都处于良好状态，7号的中机身和右机身状态良好，9号的中机身和右机身状态较差。而9号设备在接下来的运行过程中，其效率和质量都不如其他两台设备好，根据车间操作和维修此设备的人员讲，此设备需要进行专项维护保养，在保养过程中确实发现9号设备的中机身和右机身齿轮均有不同程度的裂化，导致设备运行精度不高，质量保障不够，这与实际的卷包设备状态相一致。

3 结语

通过声振检测仪对GDX2烟支成型推杆传动箱和卷包设备的实际诊断应用，结果表明在卷烟设备状态监测和故障诊断中，声振检测仪能够快速准确地反映出设备的运行状态，并且相比传统的检测方法具有较高的灵敏度，在今后卷包设备的故障检测中具有深远的应用前景，同时在其他重要的、运行精度高的、速度快的、不便于发现的、价值大的设备上同样具有相关检测诊断功能。后期将对更多的设备进行检测，对信号进行更深入的分析，获得各种故障的特征，形成较大的数据库，并对检测的结果和数据库进行比较，让设备始终处于良好的运行状态。展望工业4.0，更多现代化、智能化的设备将大量投入产品加工线中，如何保障这些设备始终处于良好的运行状态，设备故障诊断显得尤为重要，声震检测仪将在测试技术上更完善，力争为国家的创新发展贡献力量。

参考文献

[1] 万斌.新中国烟草专卖制度改革：成本与收益分析

[D].江西财经大学，2010.

[2] 包曙阳.烟草行业卷包设备的状态监测与检修管理系统研究[D].复旦大学，2008.

[3] 孙岩.烟草机械自动控制技术的发展历程及发展方向[J].中国电子商务，2013，（14）.

[4] 张建泽.现代化工机械技术发展回顾与展望分析[J].科技与企业，2013，（19）.

[5] 姚桂艳，孙丽媛，程秀芳，等.机械故障诊断技术的研究现状及发展趋势[J].河北理工学院学报，2005，27（3）.

[6] 孔亚林.基于振动信号的滚动轴承故障诊断方法研究[D].大连理工大学，2006.

[7] 赵一帆，齐明侠，赵继红，等.基于声发射技术的滚动轴承故障检测[J].轴承，2010，（4）.

[8] 郝如江，卢文秀，褚福磊.声发射检测技术用于滚动轴承故障诊断的研究综述[J].振动与冲击，2008，27（3）.

[9] 刘春光，谭继文，战卫侠，等.基于多传感器信息融合技术在滚动轴承故障诊断中的应用[J].煤矿机械，2010，31（6）.

基金项目：川渝中烟重庆烟草工业有限责任公司重庆分厂科技项目“音频技术在机械故障诊断中的应用”（项目编号：2014-62）。

作者简介：向邦云（1972-），男，重庆人，重庆中烟工业有限责任公司重庆卷烟厂工程师，研究生，研究方向：设备管理、设备技术创新、设备技术研究等。

（责任编辑：陈 洁）