振动筛梁断裂故障诊断方法研究

【摘要】研制了振动筛实验模型，并开发了振动筛梁断裂故障实验测试系统，利用双轴加速度传感器采集振动筛的加速度信号，并通过A/D转换将数据保存到工控机中。比较实验测试系统得出的模型筛特征频率与理论频率，相对误差小于4.2%，验证了硬件与软件系统的准确性；同时将模型筛与香蕉直线振动筛的时域谱、频域谱、功率谱的对比，其相对误差小于1.25%，验证了可以利用模型筛进行试验来得到振动筛的固有特性参数；在振动筛实验模型正常工作和梁断裂的情况下，将时域谱、频域谱、功率谱特性进行对比，得到了基于时域谱、频域谱、功率谱的故障诊断方法。

【关键词】振动筛；故障诊断；测试系统

1.引言

振动筛是一种广泛用于散体物料分级的设备，广泛应用于选煤、选矿等工业领域，它是利用振动特性来满足生产中工艺过程和工作过程要求的。振动筛在工作过程中，环境恶劣，复杂的承载条件与长时间的连续工作，筛箱侧板开裂、主梁断裂、筛板松动损坏、轴承损坏等经常发生，设备结构的损伤是不可避免的[1][2]。同时由于国内使用的振动筛大部分是由国外进口，一旦出现故障，维修周期长，导致巨大的经济损失。由于缺乏必要的检测手段和设备，无法对设备的故障进行有效的检测，特别是对于通过肉眼及经验无法判断的隐性故障。因此，研究振动筛关键部件的故障规律，建立以设备状态为基础的预防维修体制，及早发现故障征兆，实现故障早期诊断和预报，实现振动筛结构损伤的在线监测，具有重要的实用价值和现实意义。

2.振动筛实验模型搭建

由于故障诊断系统开发需要大量的数据，包括振动筛正常工作时的数据、故障数据，但是传统的故障诊断方法中很少记录发生故障时各种特征数据，不同故障数据特征不同，很难在现场采集，因此需要开发振动筛模型来获取需要的各种数据。根据相似理论，设计制作振动筛实验模型是开展故障诊断研究的适用方法。本文研究对象为香蕉直线振动筛，由于缺乏研究对象的技术数据，研究对象的几何参数和动力参数的获取是实验模型的设计基础。

香蕉直线振动筛主要由筛箱、筛框、筛网、激振器、电机台座、减振弹簧、支架等组成，按相似理论进行设计了实验用振动筛。相似理论是一种数学解析法和实验法相结合的指导实验的理论，利用相似理论进行实验模型设计时要符合力学相似原理，通常要考虑以下几个方面[3]：

1）几何相似：根据相似原理利用Pro/E绘图软件绘制了振动筛原型的三维模型如图1所示。图2为振动筛相似实验模型实物图。

2）运动相似：振动筛原型为香蕉直线振动筛。其运动轨迹是在安装在激振器箱梁上的两个偏心块反向运动提供的动力作用下的直线往复运动，与水平面呈43°角，激振器转速为1000rpm。因此，实验模型的运动与原型机一致，其轨迹亦为直线往复运动，与水平面呈43°角，激振器转速为1000rpm。

3）动力相似：工程上常用的两种激振方式：a.利用两台参数相同到的激振电机反向运动实现激振；b.一台电机带动用齿轮连接的两偏心块反向转动。两种方式效果相同。振动筛原型的动力是通过电动机带动安装在激振器箱梁上的两个偏心块反向旋转产生的偏心力提供的。在相似实验模型中，为保证动力相似，同时降低成本，简化加工，在此使用两台参数完全相同的激振电机来实现激振。

4）边界条件处理：在模态实验中，对系统固有特性影响最大的是几何边界条件，也即试验结构的支撑条件。支撑条件一般有自由支撑、固定支撑和原装支撑。因此采用原装支撑最为合适，这也是几何边界条件模拟中最优边界模拟。

3.试验测试系统的总体设计

为了实现对振动筛振动参数的采集，设计了试验测试系统，包括硬件系统和软件系统[4]。

硬件系统整体架构如图3所示，主要由振动筛、两轴加速度传感器、数据采集卡、工控机构成。

（1）振动筛为实验振动筛和现场香蕉振动筛（以下简称振动筛）；

（2）加速度传感器本系统选用PM-LAS2型双轴加速度传感器，输出±5V直流电压信号；

（3）数据采集卡选用UA301S型USB总线数据采集卡，分辨率：12bit；

（4）为了使采集卡以接线端子方式连接采集信号，本系统选用了UADZ-1型端子板；

（5）工控机作为本系统中控制和显示终端设备，需要安装VC6.0、labview10.0以及matlab7.0等软件。

软件系统基于LABVIEW的软件开发平台，将数据采集，利用matlab将采集到的数据进行小波滤波、带通滤波消除趋势项等处理，然后计算各种特征值，并绘成相应的图形。

3.试验结果及分析

由于振动筛振动信号的频率成分丰富，频带很宽，并且故障信息常常反映在中频段和高频段，测量振动所用的参数基本上是加速度。在现场，当振动筛正常运行时，将传感器放置于振动筛的水平位置，测量竖直方向和纵向加速度（以下用x轴和y轴表示），从而得到正常运行时的数据。

对振动筛的故障信号进行辨识主要是通过故障信号和发生故障前振动筛正常状态的信号进行比较，根据常见故障信号的特征，对两者的异同进行分析，发现其故障信号产生的机理，进而达到振动筛故障信号的辨识。

（1）理论特征频率与试验特征频率的对比

振动筛的振动方程为：

f、n、60分别为频率（赫芝）、振动筛激振器转速（转/分）、每分钟（秒），振动筛激振器转速为1000rPm。

通过利用上述设计的硬件与软件系统对振动筛的振动数据进行采集，然后利用matlab进行处理并绘制时域谱、频域谱、功率谱。相关处理结果如图4所示。从图4中可知：振动筛相似实验模型的固有频率为16Hz，与理论值固有频率16.7的相对误差小于4.2%。结果试验表明，硬件与软件系统总体设计的准确性。

（2）振动筛相似实验模型与香蕉直线振动筛的数据对比

对振动筛、模型筛的x轴方向信号实域、频谱图和功率谱对比，见图5。由此可知二者固有频率的相对误差小于1.25%。因此，用相似理论可以直观有效地得到振动筛的固有特性参数。

（3）振动筛相似实验模型正常谱与模型振动筛故障谱的比较

通过对模型筛制造故障，从而得到相关参数，相关结果如图6所示。从图6可以得到以下结论：

振动筛时域谱、频域谱、功率谱出现“下移变化规律”，即：

（a）“降幅特征”：随着梁裂纹的出现，其时域谱和频率谱的幅值减小，并且频率谱的幅值有大幅减小。

（b）“频移”特征：随着梁裂纹的出现，频率谱的特征频率向高频偏移，并且特征频率不再出现峰值，而是有一个特征频率带出现。

（c）“增频”特征：随着梁裂纹的出现，在功率谱图中低频区和高频区会出现了一些新的频率成分，并且随着裂纹的扩展新增频率成分会越多越复杂。

基于以上变化规律，可以总结出基于时域谱、频域谱、功率谱的振动筛梁裂纹故障诊断方法。为故障诊断系统对现场运行设备的监测提供了依据。

4.结论

根据几何相似、运动相似、动力相似和边界条件处理的相似理论研制了振动筛相似实验模型。并开发了振动筛梁断裂故障实验测试系统，通过对振动筛梁断裂故障谱和正常运行谱的比较分析，得到了相关的故障判断依据，从而为后期的现场振动筛监测打下了基础。

参考文献

[1]王春花.振动筛结构损伤故障诊断[D].太原理工大学硕士学位论文，2006.

[2]刘晓艳，于晓光.大型直线振动筛的动力学分析[J.鞍山科技大学学报，2003，26（2）.

[3]赵国瑞等.香蕉型振动筛故障诊断实验平台的搭建[J].矿山机械，2008，36（5）.

[4]谭程.TDLS2575型振动筛工况监测系统的研制[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文，2007.

作者简介：

李海龙（1973—），男，山西长治人，工程师，山西潞安集团余吾煤业有限公司选煤厂厂长，从事煤炭洗选管理工作。

周昭军（1968—），男，毕业于华东理工大学，工学博士，上海君美科技发展有限公司总经理，主要研究方向：过程装备与机械。