矿用振动筛在线监测及故障诊断系统设计与应用_刘乘

Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｃｒｅｅｎ
ＬＩＵ Ｃｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉ－ｎａ，ＬＩＵ Ｘｕｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｒｔ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）
１．３ 分 析 与 比 较 模 块 分 析 模 块 包 括 时 域 分 析 、频 域 分 析 、状 态 识 别 、
趋 势 分 析 、图 形 显 示 ；比 较 模 块 有 故 障 诊 断 模 块 、数 据 管 理 模 块 、系 统 管 理 模 块 等 ． １．３．１ 实 时 加 速 度 信 号
采 样 频 率 设 置 为１０ＫＨｚ，信 号 经 过 传 感 器 、适 配 器 、数 据 采 集 卡 最 终 到 达 计 算 机 ，经 过 数 据 标 定 、 滤波等算法后，得 到 如 图 ２ 所 示 加 速 度 信 号．从 图 中可以 看 出 弹 簧 支 撑 处 Ｘ 方 向 加 速 度 幅 值 约 为 ３．５ｇ，符 合 振 动 筛 出 场 检 验 数 据 ．
１ 振 动 监 测 与 分 析 系 统
１．１ 振 动 加 速 度 数 据 采 集 模 块 数据采集 部 分 包 括：传 感 器、信 号 调 理 器 （放
大、滤波等）、Ａ／Ｄ 转换器及计算机． 振动筛的 振 动 位 移 比 较 大，运 动 轨 迹 近 似 椭
圆，现有的非接触 式、非 三 向 的 位 移 传 感 器 难 以 测 得振动筛的位移；从 故 障 诊 断 方 面 分 析，既 用 到 了 位移，也用到 振 动 频 率、幅 值，相 关 研 究 表 明［１］，微 分所产生的误差 比 积 分 所 产 生 的 误 差 要 大，同 时， 振 动 筛 的 故 障 信 息 往 往 发 生 在 中 高 频 段 ；所 以 经 过 分析与讨论，本系 统 采 用 三 向 加 速 度 传 感 器．五 个 加 速 度 传 感 器 ，其 中 一 个 安 装 在 偏 心 块 上 方 的 轴 承 处，做为激励信号；其 它 四 个 分 别 安 装 在 四 个 弹 簧 支 撑 上 方 ，作 为 振 动 的 响 应 信 号 ．如 图 １ 所 示 ．
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到了 振 动 幅 值、频 率、振 动 轨 迹、弹 簧 一 致 性 监 测， 为 故 障 诊 断 提 供 了 强 有 力 的 支 撑 ，减 少 筛 分 设 备 故 障停机带来的系统停产或生产系统能力减半运行． 在经济效益、设备 安 全 运 行、合 理 匹 配 生 产 与 检 修 计划等方 面 有 广 阔 的 应 用 空 间，间 接 经 济 效 益 显 著．
强 制 消 噪 比 较 简 单 ，但 容 易 丢 失 原 信 号 中 有 用 的故障信号，所以 本 系 统 采 用 门 限 消 噪 处 理 方 法． 该 方 法 根 据 经 验 设 定 门 限 值 ，对 信 号 小 波 分 解 中 的 高频系数 用 门 限 值 处 理．即 大 于 门 限 值 的 部 分 保 留，低于门限 值 的 系 数 变 为 ０．再 对 信 号 进 行 小 波 重构即可达到消噪的目的 ． ［２］ １．２．３ 加 窗 处 理
图 １ 传 感 器 安 装 位 置
１．２ 振 动 数 据 信 号 的 处 理 模 块
１．２．１ 信 号 标 定 加 速 度 值 通 过 传 感 器 转 换 为 电 压 值 ，经 过 数 据
采 集 卡 后 传 输 到 计 算 机 中 ，得 到 一 系 列 离 散 的 电 压 值，单位为 Ｖ，因此，要 换 算 成 加 速 度 值．前 面 提 到 所选传 感 器 Ｘ 和 Ｙ 方 向 的 灵 敏 度 分 别 为 ２．０百度文库 ｍＶ／ｍ·ｓ－２ 和２．０２ ｍＶ／ｍ·ｓ－２．数 据 在 通 过 适 配器时被放大 了 １０ 倍，所 以，如 果 令 Ｘ 方 向 采 集 的数据为ｘ（ｉ）（ｉ 为数据长度）．则加速度 ｘ１（ｉ）与 ｘ（ｉ）的换算关系为ｘ１（ｉ）＝ （ｘ（ｉ）×１０００）／（１０× ２），同理，Ｙ 方向的 换 算 方 法 只 是 把 灵 敏 度 设 定 为 ２．０２ ｍＶ／ｍ·ｓ－２，就 可 以 得 到 Ｙ 方 向 的 加 速 度 值． １．２．２ 小 波 降 噪
＊ 收稿日期：２０１２－１２－１３ 基 金 项 目 ：维 德 科 技 横 向 科 研 项 目 （４７８５） 作 者 简 介 ：刘 乘 （１９５１－ ），男 ，山 东 济 南 人 ，教 授 ，研 究 方 向 ：包 装 测 试 与 控 制
第１期
刘 乘 等 ：矿 用 振 动 筛 在 线 监 测 及 故 障 诊 断 系 统 设 计 与 应 用
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陕西科技大学学报
第 ３１ 卷
近 的 幅 值 最 大 ，说 明 幅 频 分 析 正 确 、可 行 ．
图３ Ｘ 方向加速度信号的频谱分析图 １．３．３ 实 时 振 动 轨 迹
在监测弹簧失效与否时可以用振动筛的振动 轨 迹 和 振 动 倾 角 来 进 行 判 断 ．本 系 统 直 接 测 得 的 是 振 动 筛 的 振 动 加 速 度 信 号 ，加 速 度 信 号 经 过 两 次 积 分 变 换 可 以 得 到 位 移 ．一 次 积 分 得 到 图 ４ 所 示 的 速 度，图４的速度信 号 带 有 明 显 的 趋 势 项．现 场 采 集 到 的 振 动 加 速 度 信 号 中 ，大 多 都 含 有 一 定 的 直 流 分 量 ，体 现 为 波 形 中 基 线 的 漂 移 ．在 积 分 时 ，先 对 这 一 直 流 分 量 进 行 估 计 ，从 信 号 中 剔 除 后 再 进 行 数 值 积 分 ．实 践 发 现 ，由 于 我 们 在 截 取 数 据 时 ，不 能 得 到 完 全的整周期 数 据，不 能 正 负 抵 消［３］，从 而 造 成 对 直 流 分 量 估 计 的 误 差 ，所 以 信 号 的 直 流 分 量 不 可 能 完 全 被 剔 除 ，残 余 的 微 小 误 差 在 积 分 的 过 程 中 也 将 被 放 大 ．导 致 需 要 再 次 进 行 修 正 ．所 以 ，我 们 将 加 速 度 数据进行数值积分后，采用最小二乘法 剔 ［４］ 除掉 存 在的趋势项．
由于计算机速度和处理工作量以及计算机存 储 容 量 等 方 面 的 限 制 ，只 能 从 中 选 取 有 时 长 的 数 据 样 本 加 以 处 理 ．信 号 加 窗 会 使 信 号 增 加 新 的 频 率 成 分 ，并 且 使 谱 值 大 小 发 生 变 化 ．从 能 量 角 度 讲 ，相 当 于原始信号各种频率成分处得能量渗透到其他频 率 成 分 上 ．因 此 ，选 用 合 适 的 窗 函 数 是 非 常 重 要 的 ， 在 对 几 个 常 用 窗 函 数 理 解 的 基 础 上 ，结 合 振 动 筛 工 作信号的特征（窄 带 信 号，有 较 强 的 干 扰 噪 声），我 们 选 用 旁 瓣 幅 度 小 的 窗 函 数 ，如 汉 宁 窗 ．
矿用振动筛在线监测及故障诊断系统设计与应用
刘 乘，张丽娜，刘 勋
（陕西科技大学 设计与艺术学院，陕西 西安 ７１００２１）
摘 要：基于 ＬａｂＶＩＥＷ 与相关硬件系统的搭配，设计出振动筛在线监测系统，监测筛箱的异 常 振 动 、弹 簧 一 致 性 和 激 振 器 轴 承 振 动 ；通 过 监 测 振 动 筛 的 振 动 加 速 度 值 、振 动 频 率 、相 位 以 及 由加速度积分得到运动轨迹来判断振动筛的工作情况，最 终 构 建 了 振 动 筛 负 载 工 况 在 线 诊 断 系统，利用数据库积累并管理长周期的监测数据，开 发 状 态 特 征 提 取、异 常 情 况 自 动 辨 识 和 运 行趋势分析软件，对异常振动、轴承故障和弹簧不一 致 情 况 进 行 实 时 报 警，并 通 过 自 学 习 积 累 故障诊断经验．本系统包括数据实时采集、实时 显 示、实 时 分 析 以 及 在 线 诊 断、离 线 分 析、远 程 监测等功能． 关 键 词 ：振 动 筛 ；在 线 监 测 ；ＬａｂＶＩＥＷ；故 障 诊 断 ；远 程 监 测 中 图 法 分 类 号 ：ＴＤ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
图２ Ｘ 方向加速度信号
１．３．２ 实 时 频 谱 分 析 频 谱 是 信 号 在 频 域 上 的 重 要 特 征 ，反 映 了 信 号
的频率成分以及 分 布 情 况．伴 随 着 故 障 的 发 生、发 展，往往会引起信 号 频 率 结 构 的 变 化．频 谱 分 析 的 目的是把复杂的时间历程波形经傅里叶变换分解 为 若 干 单 一 的 谐 波 分 量 来 研 究 ，以 获 得 信 号 的 频 率 结 构 以 及 各 个 谐 波 的 幅 值 和 相 位 信 息 ．图 ２ 为 本 次 实验安装在弹簧支承座处的信号 Ｘ 方向的信息． 图３是 图 ２ 中 信 息 的 ＦＦＴ 变 换 得 到 的 幅 频 图，分 析实际实验中激励信号，振动筛工作频率为 １７ Ｈｚ 左右，由图３显示 的 幅 频 图 可 以 看 出，在 １７ Ｈｚ附
筛在线监测及故障系统进行研究． 振 动 筛 是 利 用 振 动 对 物 料 进 行 筛 分 ，它 的 工 作
振动属于质量－弹簧－阻 尼 系 统 的 稳 态 强 迫 振 动，现 有 理 论 研 究 对 振 动 筛 的 损 坏 机 理 有 所 解 释 ，但 对 其 在线故障检测的研究却相对较少．
基于上述原因，本文结合 ＬａｂＶＩＥＷ 软件 及相 关 硬 件 系 统 ，研 究 了 此 大 型 直 线 振 动 筛 振 动 加 速 度 的数据采集、分析 及 加 速 度 和 位 移 之 间 的 转 换，得
０ 引 言
随 着 我 国 煤 矿 产 业 的 快 速 发 展 ，对 大 型 筛 分 器 械的需求越来越 大，质 量 要 求 也 越 来 越 高，国 内 煤 炭企 业 也 需 要 得 到 高 性 能 的 振 动 筛．ＳＬＯ２４９６ 大 型振动筛是陕西神木神华集团目前正在使用的振 动筛型号之一，性 能 整 体 优 良，但 也 存 在 局 部 的 破 损 和 使 用 问 题 ，以 此 为 基 础 我 们 提 出 了 对 大 型 振 动
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｃｒｅｅｎ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｈｅ Ａｂｎｏｒｍａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｓｐｒｉｎｇ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｘｃｉｔｅｒ．Ｂｙ ａｎ－ ａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅｓ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｊｕｄｇｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｃｒｅｅｎ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ｏｆｆ ｌｉｎｅ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｃｒｅｅｎ；ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ＬａｂＶＩＥＷ；ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
第３１卷 第１期 陕西科技大学学报 Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．１
２０１３年２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｅｂ．２０１３
＊ 文 章 编 号 ：１０００－５８１１（２０１３）０１－００９０－０４