振动筛故障早期诊断与维护系统的设计

赵环帅，尹德夺

(1.中国冶金矿山细粒筛分机械工程技术研究中心； 2.唐山杰斯德科技有限公司，河北 唐山 063020)

振动筛是现代矿物加工行业重要设备之一，主要用于物料的分级、脱水、脱泥及脱介作业[1]。随着企业生产规模越来越大，作为现代企业管理的一个重要组成部分，振动筛设备管理水平和现代化程度，无疑将直接影响企业的生产能力、产品质量、生产成本、劳动生产率和能源消耗等，因而也就直接影响企业的效益与发展速度。传统的振动筛设备维修方式主要是定期(时)维修、事后维修以及中途抢修等，由于无法及时发现设备初期故障点，设备持续运行中导致故障点扩大，最终造成设备整体瘫痪或严重损坏，不仅影响生产正常进行，也带来高昂的设备维修费用[2-3]。为适应市场经济的需要，在现代化企业中应着力推行基于状态实时在线监测的振动筛故障早期诊断及维护维修模式，以此来代替传统维修策略，便于在振动筛设备故障趋势形成时提供维护参考，实现全流程设备的预检预修，可为企业避免不可估量的经济损失。

1 企业设备维修管理的发展过程

随着新的维修观念和技术迅速发展，设备维修管理领域有了多种新发展变化。总体而言，从20世纪40年代至今，主要分为3个典型阶段(图1)，最主要特点是从以前强调大修和保障系统的传统观念演变成包涵不同领域里的多种新发展过程[4-6]。

图1 发展过程

2 企业设备维修管理中存在的问题

传统的设备维修方式主要有定期(时)维修、事后维修及中途抢修等，后2种主要是指当机电设备出现故障以后才进行维修，是一种比较被动的维修方式。因为设备出现状况往往是属于偶然性，维修要么是没有充分的从根本上解决设备的问题，要么是由于准备不充分无法进行维修。而最主要的是定期(时)维修，实际是预防性维修的一种方式，一般按照设备规定的维修期进行维修。随着目前各种设备复杂程度的不断提高，定期维修暴露出越来越多的缺点。主要表现为：

(1)不必要的维修会增加故障率，容易影响设备性能。一台设备或一个系统本来是稳定的，若进行拆修，容易扰动设备的稳定状态，同时拆修很可能引起各种早期故障，对于大型复杂设备尤其明显。

(2)可能浪费大量人力和物力。每次拆修大型复杂设备与系统，一般需要投入很多的人力和物力。合理的预检与预修则可以在显著提高维修效益的同时，也能在一定程度上节约大量的人力和物力。

(3)产生过剩维修的缺陷。如果设备不分主次，一律按照定期计划维修，设备容易出现不必要地更换和拆卸过程中的损坏，原来磨合好的部件又被重新装配，从而产生过剩维修的缺陷。

(4)降低设备的使用寿命。每次拆修设备，都容易使设备材料强度降低，拆修后再次启动，又会增加材料的疲劳损坏，因此在设备维修过程中，尤其频繁定期大修，会降低设备的使用寿命。

(5)缺乏针对性。在不考虑设备状态的情况下，都得按计划定期维修，重新校装，虽然在一定程度上可以起到预防作用，但不能对症下药，具有维修的盲目性，也容易造成机物料的浪费。

3 基于状态实时在线监测的设备故障早期诊断及维护系统

在现代化企业中，采用基于状态实时在线监测的设备故障早期诊断及维护维修模式，可以有效减少故障停机维修时间及维修费用，其经济效益非常显著。

3.1 系统的组成

基于状态的维修(CBM)是预报设备初始故障并进行主动维修的一种形式。CBM是基于设备运转实时或接近实时数据，评估设备状态的一系列维修活动。设备状态由智能传感器、数据传输网络和专用软件平台取得。基于状态的维修(CBM)与被动式维修和预防性维修的原理截然不同，其主要是基于设备的实时状态，利用状态监测与故障诊断技术，按诊断程序来确定设备是否正常的维修活动。CBM仍然属于预防性维修的范畴，是预防性维修的进一步发展。

3.2 系统主要功能

(1)能够将设备故障消灭在萌芽状态。基于状态的维修(CBM)通过事先检测运行状态，确诊异常状态，预先巡检，主动巡查并确定异常状态，及时进行事先维修。

(2)可以较大幅度降低维修费用，缩短维修时间或避免设备的过剩维修。由于设备的实际运行状态、制造质量及操作人员的技术水平等诸多因素差异，每台设备或零部件的使用寿命均不同，因而故障发生点也多不相同。因此，需要维修人员认真分析和准确判断故障点，对设备进行有针对性的维修。据有关资料表明，与采用定期计划维修体制的企业相比，采用基于状态的维修(CBM)，设备故障下降63%～84%，设备维修用工下降26%～30%，机物料用量下降22%～31%，计划停台率降低2.5%～3.7%。

(3)利用了设备的全寿命周期，计划性比传统维修计划更符合实际。基于状态的维修(CBM)虽然侧重于状态，但也有计划，只是这种计划是建立在状态的基础上。其强调计划检测，事先搜集信息，计划适时适度修理，因此它的计划性更符合实际。

(4)核心是巡回检测、故障诊断和适时适度修理。由于修理之前是预知状态，因此基于状态的维修(CBM)又叫预知修理，比传统的设备维修方式更客观、准确，对装备状态的检测诊断上升到定量阶段，对装备维修更具有指导意义。

(5)按照实际需要进行修理，提高设备的利用率。因基于状态的维修(CBM)对每台设备都进行状态监测，因此能及时准确地查出故障或隐患，只需更换或修理损坏的零件，从而保证了维修质量，避免设备事故，减少了设备停机时间和配件的消耗，大幅度地提高设备的利用率，为企业创造更大的效益。

4 振动筛故障早期诊断与维护系统的设计

4.1 研究的必要性

振动筛主要依靠各种驱动装置产生的激振力驱动筛箱做直线运动。在振动过程中，由于振动筛本身及外部因素的作用，有时会出现横梁断裂、侧板开裂、筛网破损、激振器噪声及温升增大的情况，若这些故障不能及时发现，将会导致振动筛损坏，严重时导致设备瘫痪，另外也会导致筛分效率下降，对后续生产产生较大影响。比如：激振器是振动筛的主要部件，当激振器内部出现齿轮组或轴承故障、润滑失效等情况，会直接导致筛面偏振，造成筛分效果变差，如不及时对故障进行检修，严重时可能导致激振器整体损坏。由于该部件维修及更换的成本较高，且振动筛为工艺主要设备，其故障停机将会对生产造成严重影响。横梁与侧板出现裂纹时，若不能及时发现，会导致裂纹的继续延伸，最终导致横梁与侧板的整体断裂，而无法修复；筛网破损后若不能及时发现，会出现物料的跑粗现象，同时，产生的二次振动会对支撑横梁产生不利影响。为此，对振动筛进行实时在线监测，进行故障早期预测，实现预检预修，具有十分重要的现实意义。

4.2 设计思路

为确保振动筛高效可靠地运行，考虑到提高生产效率，降低生产成本、节能降耗等客观要求，通过将现代自动化控制、计算机网络技术、无线通讯等多种技术相结合，改变了原来自我封闭的单一控制方式，实现自动监测控制的智能化和管理网络化。振动筛故障早期诊断及维护系统能够实时在线监测振动筛工作振幅、振动频率、激振器齿轮箱温升、电机运行负荷等工况，通过对传感器采集到的监测数据进行智能化分析，对工作振幅与振动频率的变化、激振器齿轮箱温升异常、电机运行负荷突变等异常工况进行趋势预测，并提供维检计划[7-10]。

4.3 故障诊断机理

振动筛在工作过程中，横梁断裂、侧板开裂、筛网破损等故障出现以后，一般最直接的表现在振幅、频率及噪声的变化。振动筛一般处于恶劣的环境工作，周围的噪声较大，因此噪声的变化，有时候很难观察到，而振幅、频率的变化可以通过设备监测得到；振动筛激振器在正常工作过程中，其内部润滑油将维持在一个相对稳定的限值内，当故障产生时，由于齿轮间摩擦增加或轴承自身旋转阻力增加，均会导致运动部件温升，这些额外产生的热量直接导致润滑油温升，为此监测激振器齿轮箱油温可以作为检测对象，同时电机的运行负荷在上述故障作用下会产生波动，为此，拟对上述参数进行在线监测(图2)。

图2 检测参数

4.4 系统网络结构

振动筛故障早期诊断及维护系统采用现场总线+工厂局域网(或互联网)进行监控数据传输。现场总线主要负责将工厂车间分布式智能传感器采集到的数据集中传输至现场智能测控终端，数据经过测控终端送入企业局域网或互联网，数据服务器将监测数据存储，管理终端通过网络访问数据服务器内的数据。该系统可拓展移动终端应用，通过专用APP进行操作(图3)。

图3 系统网络结构

4.5 软件平台

平台软件包括网络数据传输与数据库软件、设备监测与故障诊断软件和远程管理终端软件。网络数据传输与数据库软件主要实现对现场监测数据进行采集、存储和初级分析处理，拟采用ORACLE数据库；设备监测与故障诊断软件主要从数据库获取现场设备监测数据，通过开发的设备运行状态诊断算法对数据库数据进行定性分析，并结合专家系统进行设备运行工况的实时监测和故障预测，提供维检计划、维修建议、故障预警等功能，拟采用C#及JAVA等软件开发；远程管理终端软件能够通过互联网对现场设备进行远程管理，采用B/S架构。

4.6 智能硬件

智能硬件包括自行研制的智能传感器和现场智能测控终端。智能传感器具有温度、加速度等参量检测功能，同时内置微控制器和通讯模组，实现参数检测、处理、远传等功能，模块化封装、网络化运行。现场智能测控终端与智能传感器配合使用，能够对大量现场智能传感器进行管理，具有局域网和互联网数据交换功能。

5 应用情况

通过对某大型振动筛测试(图4)，故障早期诊断及维护系统可以对该振动筛运行工况中的振幅、频率、激振器温升、电机功率等技术参数进行实时在线监测，改变了原来自我封闭的单一控制方式，实现云智能自动检测控制的智能化和管理的网络化。通过这种预测性维护模式预防意外的机器故障及非计划停机时间，可为企业避免不可估量的经济损失。

图4 测试现场

6 结 语

振动筛故障早期诊断及维护系统可以对振动筛运行工况中的各种技术参数进行实时在线监测，从而有利于未来绿色智慧矿山的发展。但存在的问题是由于需要各种传感器放置于筛机上，且放置过少会影响测试结果，在振动筛的振动过程中由于测试数据线较多，不利于现场的管理，因此今后研究采用无线测试技术，以完善振动筛故障早期诊断及维护系统目前存在的不足，是该技术未来发展的重要方向。