振动监测在金属矿山设备管理中的应用

温学鹏

（招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿，山东烟台 265400）

0 引言

近年来大数据应用发展趋势更加成熟，在矿山层面开展了提升系统、选矿系统、排水系统、充填系统、供风系统、通风系统、安监系统等方面的建设及推广，矿山智能化水平不断提高。在设备管理方面除了应用先进的管理体系，实现设备健康状况的在线监测和诊断也是进一步提升设备管理书评的重要途径，其中振动监测是监测设备稳定运转的重要参考依据。振动监测系统主要由振动加速度传感器、数据采集单元、带有分析软件和数据库的CMS服务器、电脑客户端等组成。振动监测系统的功能是通过频谱分析和加速度包络分析，可以诊断如不平衡、不对中、松动、联轴器故障、摩擦、轴承损伤、齿轮磨损、断齿、电机电气故障、结构共振等常见机械故障，予以预测和报警以实现对设备进行保护[1-2]。

金属矿山需进行振动监测的设备主要涉及水泵、圆锥破碎机、球磨机、渣浆泵等，本次项目是在对设备实行多元振动监测及传感器的信息数据采集后，通过控制中心的界面对设备振动形态与数据实现在线显示和监控，对波形和频谱变异性的异形数据进行提取，将其与设备故障等级形态及数据进行比较，实现对设备故障的早期诊断，尤其是实现对设备突发性故障的即刻诊断与保护。当设备出现振动异常时，智能系统将对异常设备担负的工艺进行合理处置，包括对上下游涉及的工艺处理，有备用则切换备用设备，无备用设备则根据故障类型及程度实行报警或关闭故障设备报警[3-4]。在保证设备安全的同时，对生产流程工艺及设施实行最大限度的保护，避免造成工艺流程的混乱及减小生产恢复的处理难度。

1 振动监测设备安装

振动监测系统数据采集单元位于设备现场，实现监测参数的采集、信号调理、模数转换和数据的预处理功能，并将数据上传到服务器。服务器位于PLC 室的网络机柜内，主要负责接收数据采集单元上传的数据并存储、运行可视化界面程序并实时显示机组振动状态、在线分析机组振动状态，可提供外连实时数据分析接口以及历史数据管理功能。

表1 中设备均为滚动轴承设备，主要通过振动加速度传感器监测轴承部位高中低频的振动状态，通过长期的趋势监测跟踪设备的状态变化。

表1 初步设置监测的设备情况

2 测点布置及监测数据

2.1 设备监测点布置

测点的布置由专业工程师根据经验确定，积累一段时间的数据后，可根据振动信号的实际情况进一步优化测点位置。根据设备分布情况，设置10 个现场监控箱，各现场监控箱通过交换机接入服务器。对应的测点有：电机非驱动端垂直、电机驱动端垂直、泵非驱动端水平、泵非驱动端垂直、泵驱动端水平、泵入口端轴向，每个位置设2 个传感器，传感器型号为AS-062。

2.2 监测变量

振动监测软件共有5 个振动变量，分别为ISO 通频值、加速度包络值、高频总值、加速度峰值、1～1000 Hz 速度值。其中，ISO通频值是振动大小判断的标准，代表监测点振动烈度；加速度包络值对轴承齿轮的早期磨损等故障检测较敏感；高频总值是波形数据的总体计算，辅助于一些复杂情况的振动分析；加速度峰值是运动的加速度最大绝对值，用于辅助一些复杂情况的振动分析；1～1000 Hz 速度值是原始波形进行滤波下进行频谱分析，可以避免其他干扰。另外，ISO 通频值是直观振动大小变量的，而其他4 个值是配合振动频谱分析所需要的。

3 振动监测系统运行及应用

振动监测系统软件为VbStone 智能监控系统，主要负责对生产过程的设备运行数据进行实时监测，为使用者提供设备的运行状态分析。

3.1 系统对振动监测数据的使用

控制系统利用设备振动监测，通过对趋势跟踪及对不同特征值类型和对设备故障的预测级别的诊断报警，利用某些设备监测的振动特征量可对工艺状态实行辅助判断与识别。如控制系统利用设备状态监测系统对球磨机实时监测的振动特征量分析：通过设备内介质冲击的频谱数据，对球磨机的矿石装载量状态进行判别佐证，有利于选矿智能系统对工艺状况实行多侧面的监测与分析，进而对工艺实行准确的判定识别，更有利于对工艺的的控制优化。通过TCP/IP 协议，使用数据库通讯，控制系统与振动监测系统已实现数据联通、画面移植，主要应用工段有破碎、磨浮、二级泵，主要安装设备有破碎工段的破碎机组（HP300圆锥破碎机、HP500 圆锥破碎机）、二级泵站渣浆机组（东渣浆泵、西渣浆泵）、磨浮球磨机组（4060 球磨机、3660 球磨机）、磨浮渣浆机组（东台原矿泵、西台原矿泵、北台全尾泵、南台全尾泵）五大机组，检测设备共10 台。

3.2 设备监控总览

登陆后进入设备健康总览页面，默认显示第一个设备的运行状态，点击左侧机组选项可看查看所选机组每个设备下的测点连接、运行和健康状态。同时，用户可以通过单击测点，进入到测点的设备总貌监视（状态分为正常、中断、运行、停止4 种，健康状态分为严重、较严重、中度、轻微正常4 种）。

3.3 设备总貌监视

单击设备总貌监视按钮，可以查看设备下各个测点的运行状态，可以选择不同测点来查看它的运行的历史告警信息。选中一条告警信息，下面的列表框会显示详细的告警原因，包括自动诊断结果（自动诊断根据各个变量的运行状态计算得出）。

3.4 设备实时监视及振动趋势分析

设备实时监控显示设备下各个测点实时的运行值，每秒更新一次，可通过点击具体设备进行对设备各个测点的检测查看。设备趋势分析显示设备下各个测点的最近运行历史值（1000 个数值）。

3.5 图谱分析及设备历史数据

图谱分析分析显示一个设备的运行图谱。选中图谱分析，选择要分析的测点，首先显示测点的运行时间点测得值的趋势图，单击趋势图的一个具体的值的点，可以显示该值对应的图谱信息，通过图谱信息可以分析运行过程中的数值变化。单击设备历史数据，可以查看测点下各个变量运行的历史数据信息。历史数据为统计信息，每隔1 h 统计前一小时内变量的最大值、最小值和平均值，并且根据平均值计算变量的运行状态。

4 诊断实例

以东台渣浆泵为例进行应用效果分析。从振动频谱上可以判断，电机为变频电机，本次数据采集时转速为612 r/min，转频为10.2 Hz。各测点的状态分析如下：

（1）电机的非驱动端和驱动端的垂直振动值正常，各转频谐波都在正常范围之内，说明设备平衡和对中状态良好，未发现轴承缺陷频率，设备状态正常（图1）。

图1 电机非驱动端和驱动端垂直频谱图

（2）泵非驱动端水平和垂直方向振动值正常，振动值正常，各转频谐波都在正常范围之内，设备平衡和对中状态良好，未发现轴承缺陷频率，设备状态正常。但水平方向的频谱中轻微边带成分，可能是物料冲击影响（图2）。

图2 泵非驱动端水平和垂直频谱图

（3）泵驱动端水平方向振动值正常，各转频谐波都在正常范围之内，设备平衡和对中状态良好，未发现轴承缺陷频率，频谱中轻微边带成分，可能是物料冲击影响，设备状态正常（图3）。

图3 泵驱动端水平频谱图

（6）泵入口端轴向振动值正常，各转频谐波都在正常范围之内，设备平衡和对中状态良好，未发现轴承缺陷频率，频谱中轻微边带成分，可能是物料冲击影响，设备状态正常（图4）。

图4 泵入口端轴向频谱图

5 结论

振动监测系统安装调试完成后，系统数据传输至控制系统，系统实现了对主要设备的监控与故障预警功能，对各个设备监测点的振动报警值已根据经验设置，但后续还需根据矿山设备使用的数据积累来对报警上下限值进行修正。