设备智能化在线监测系统在济三选煤厂的应用

张 贺，于雅泉，于德芳，邹忠罡，周广瑞，隋 波

(兖矿集团 济东物业管理中心，山东 济宁 272100)

煤炭洗选是提高选煤厂经济效益的一种有效途径[1-2]，洗选设备是生产系统的重要组成部分，其健康状况好坏是煤炭洗选能否正常进行的关键。为了保证洗选设备的完好性，通常选煤厂通过点检制度对其进行检查。传统的设备点检[3]是借助于人体五感(如视、听、嗅、味、触)或简单的工具、仪器(如测温仪、测振笔等)，按照预先设定的周期和方法，对设备的规定部位进行预防性检查。但这种方法需要大量人力，且受人为因素影响较大；通常发现问题时设备已处于故障晚期，难以形成统一的对比数据，不能对设备检修形成指导性意见[4-5]。

济三选煤厂是一座矿井型选煤厂，经过多次升级改造后洗选能力达到7.50 Mt/a，设计采用全重介分选工艺。重介选煤厂的机械设备众多，原来通过人工经验、温度检测等方法判断设备是否存在故障；但其只能诊断已经出现的故障，无法进行预先分析与判断。为了保障选煤生产的高效、有序进行，实现设备故障的预先分析与判断，并及时排除潜在故障，2017年10月选煤厂引入了智能化在线监测系统。通过其对设备的潜在故障进行分析，并将相关信息发送给技术人员，方便技术人员及时、准确掌握设备的运行状态，实现早期预防和提前更换、维修等，进而保证设备的安全、正常运行，为选煤赢得生产时间。

1 系统组成

智能化在线监测系统(图1)是为关键设备或部件(电机、减速机、激振器等设备)，安装加速度、速度、位移、温度等传感器，进而实现对其运行状态长期监测；并通过采集、积累的运行状态数据，为每台设备制定个性化的状态检测和数据分析方法。设备智能化在线监测系统分为两部分，即硬件系统和软件系统，其结构框图如图1所示。

图1 设备智能化在线监测系统结构框图

1.1 硬件系统组成

硬件系统是现场级系统，主要设备包括无线传感器、采集站、现场服务器等，用于采集设备的振动、温度等数据。传感器为通用加速度传感器，灵敏度为100 mV/g，且集成有温度传感器，通过无线传输方式将数据发送给采集站。采集站用于连接传感器，最多可连接40个传感器；在无隔挡的情况下，传感器与采集站的有效传输距离为200 m；信号传输方式包括4G、WIFI、以太网三种，采集站将收到的数据无线传输给现场服务器。现场服务器用于收集采集站传输过来的数据，并有数据备份功能；将数据传输给数据库，并提供与WRAS远程诊断中心相同的数据分析功能。

由于传感器采用无线传输方式，省去了铺设线路的环节，安装更加方便；以强磁座和胶水对传感器进行固定，在一定程度上能够减少工作量。该系统不仅仅是硬件的安装与使用，还有专业的数据分析人员对数据分析、对设备运行状态总结等软服务。

1.2 软件系统组成

软件系统包括数据库、云服务器、WRAS远程诊断中心、移动客户端(APP)等，用于分析数据、出具分析报告等。数据库用于存储现场服务器传输的数据，云服务器用于数据存储和APP读取；WRAS远程诊断中心是数据分析软件，可为专业数据分析人员提供数据分析平台。WRAS远程诊断中心集成了20多种数据分析方法(图2)，能够对数据充分、准确的进行分析，确保技术人员及时、准确的发现设备故障；其也能通过独有的算法对损坏部件的残余寿命进行预测，进而指导设备的维修工作。

图2 故障诊断算法

该系统每5 min采集一次设备的振动特征值和温度数据，相当于人工点检一次，能够保证检测的及时性；每小时采集一次设备的振动数据波形，用于分析设备的振动状态，相当于对振动进行一次离线精密监测[6]；此外，振动时域数据采样值还可作为设备振动趋势分析的依据。

2 传感器的选择与安装

该系统通过安装在振动轴承座的传感器，采集旋转部件的振动数据，进而对其进行分析，用于判断设备运行状态。因此，传感器的选择、安装非常重要，需要满足以下要求：

(1)根据检测设备类型，确定振动数据类型，进而选择合适的传感器。常用的振动数据类型分为振动加速度、振动速度、振动位移三种[7]，对于设备的滚动轴承，一般采集振动加速度和速度信号，应该选用压电陶瓷式振动加速度传感器；对于设备的滑动轴承，应该选用位移传感器。

(2)由于不同故障在不同方向上的振动敏感性差异很大，对于同一台机组，在安装传感器时需要选择合适的方向。水平方向对故障的综合效应响应最好，轴向在轴向受力分析和故障劣化预测中必不可少，垂直方向在基础结构类、共振类、工艺类等故障监测中有其独特的敏感性。

(3)设备的转速和类型不同，振动信号频段存在差异，且其特征频率与转速成正比。对于齿轮啮合故障，主要通过啮合频率[8]及其2～3倍的谐频分析，因此采集信号的最大频率是啮合频率的3倍以上[9-10]；对于轴承故障频率，由于其材料质量的原因，故障频率通常在2～20 kHz之间，轴承损伤晚期的故障频率在2 kHz以内。因此，需要根据不同的检测需求，设置不同的数据采集频段。

3 应用效果

振动筛是选煤厂的重要设备之一，其配备有两台激振器，两者通过电机驱动的主动轴连接在一起。激振器为一级传动齿轮箱，主动轴和从动轴的齿轮规格相同。激振器是振动筛的传动机构，也是设备利用机械振动的重要部件，因此实际生产中必须保证其完好。

以济三选煤厂其中一台振动筛的故障诊断为例，说明智能化在线监测系统的应用效果。在振动筛的转速为750 r/min、齿轮齿数为46的条件下，齿轮的啮合频率为575 Hz；由于振动筛的轴承较多，设置高频振动加速度为2～20 kHz，低频振动加速度为2～2 kHz，振动速度为2～2 000 Hz。在每台激振器上安装四个传感器，且兼顾水平方向、垂直方向、轴向三个方向，激振器的测点分布如图3所示。

图3 振动筛测点位置分布图

通过激振器A主动轴1H测点的振动趋势(图4)可以看出：2018年1月26日该测点的振动加速度从17.429 m/s2开始上升，在2018年2月4日达到130.685 m/s2，10天内振动加速度上升了约6.50倍，说明振动筛性能在这段时间急剧下降。

图4 激振器A主动轴1H测点的振动趋势Fig.4 Trend of vibration of measuring point 1H of exciter A′s drive shaft

通过激振器A主动轴1H测点的时域波形(图5)和频谱(图6)可以看出：该测点的振动加速度时域信号幅值较大，且没有发现明显的冲击特征；而频谱中可以看到明显的轴承缺陷频率(124.063 Hz)和多倍谐波，且有边频带，说明轴承存在损伤。

通过振动趋势和振动信号分析，判断出了设备的损坏部位和损坏程度，可以择机停机维修。在损伤较小的情况下，更换轴承即可使设备正常运行，避免了非计划停机，同时节约了维修费用。

图5 激振器A主动轴1H测点的时域波形

图6 激振器A主动轴1H测点的频谱

4 结语

济三选煤厂采用智能化在线监测系统代替传统的人工点检，实现了设备的在线监测，故障诊断效率大幅提高，并能实现设备潜在故障的预先分析。通过对设备振动数据的采集和分析，能够及时、准确的判断出设备的运行状态；在其出现故障时，能够指明损坏部位和损坏程度，有助于减少甚至避免非计划停机，并降低维修成本。这对于保证生产的高效、有序进行有着重要作用。

参考文献：

[1] 陈学军.对如何提高洗选及深加工过程中煤炭质量问题的研究[J].华东科技(学术版)，2013(1)：371.

[2] 高 玉.煤炭产品的洗选加工是提高质量增加经济效益的重要途径[J].内蒙古煤炭经济，1989(3)：12-9.

[3] 李卫东. 浅谈如何提高设备点检效果[J]. 科技资讯, 2009(31)：180-180.

[4] 陈艳娜. 基于EEMD的旋转机械故障诊断方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2013.

[5] 刘尚坤. 基于振动信号处理的旋转机械故障诊断方法研究[D]. 北京：华北电力大学(北京)，2017.

[6] 刘成俊，杨泽林. 离线振动监测与精密诊断[J]. 冶金设备管理与维修, 1996(3):41-42.

[7] 顾名坤，吕振华. 基于振动加速度测量的振动速度和位移信号识别方法探讨[J].机械科学与技术，2011，30(4)：522-526.

[8] 杨建鸣，郑龙魁，高立新. 基于齿轮啮合频率的轧机联轴器磨损监测诊断[J]. 机械设计与制造，2016(8):43-45.

[9] 汪 超，吴吉瑞，张 键. 基于边频带分析的齿轮故障诊断研究[J]. 湖北工业职业技术学院学报，2015(3)：107-109.

[10] 温继圆，邵汝椿，林 颖. 倒频谱分析及其在齿轮故障诊断中的应用[J]. 机械开发, 1987(2)：40-44.