直线振动筛状态监测与故障诊断的研究

直线振动筛状态监测与故障诊断的研究

0膜分离式直线振动筛和zkx型直线振动筛是同一互精煤脱水是选择煤炭加工的一项重要技术，其技术效果直接影响到精煤产品的水分。湖南天泰能源有限公司(原株洲洗煤厂)在20世纪90年代早期即开始着手对原波兰制造摇动脱水筛进行技术改造,改造的目的是提高单台设备的处理能力、增强设备的可靠性。在确定技术改造方案的过程中,存在两种截然不同的技术方案:一部分管理干部及工程技术人员主张选用ZKX型直线振动筛,而另一部分管理干部及工程技术人员则主张选用ZKB型直线振动筛。这两种直线振动筛各有不同的激振方式和结构特点,秉着尊重科学的原则,技术改造兼顾采纳两个技术方案,323-1#、5#、9#采用ZKX型直线振动筛,323-3#、4#采用ZKB型直线振动筛。经过几年的运行,两种型号筛机均存在故障频繁、工人维修劳动强度大、设备大修费用很高等问题,笔者采用现代设备状态监测技术对以上5台设备进行故障诊断,并依据诊断结论进行针对性的技术改造,连续几年的运行经验证明:以设备状态监测与故障诊断理论指导设备的技术改造是非常成功的,本文将研究直线振动筛状态监测与故障诊断和技术改造方案。1测与故障诊断技术直线振动筛是典型的振动利用设备,其状态监测与故障诊断包括振动诊断技术、声诊断技术、温度诊断技术和振声诊断技术(VibroacousticalDiagnoise)等。1.1异常机器结构的诊断技术利用正常机器或结构的动态特性(如固有频率、振型、传递函数等)与异常机器或结构的动态特性的不同来判别机器或结构是否存在故障的技术叫振动诊断技术。振动诊断技术方便而且可靠,是在故障预报中用得较多的一种诊断技术。1.2声音诊断技术利用声学原理进行故障诊断的技术有声和噪声诊断、超声波诊断和声发声诊断。1.3系统的运行状态许多机械设备的运行状态与温度有关,例如电动机、轴承及减速箱工况温度能反映其散热、润滑等运行状态,因此,根据系统及其周围环境温度的变化,可以识别系统的运行状态的变化。温度检测技术在机器诊断中是最早采用的一种诊断技术,随着现代化热学传感器和检测技术的发明和发展,温度诊断技术已成为故障诊断技术的一个重要方向。1.4振动诊断技术vibroc细胞成像振声诊断技术是对诊断的对象同时采集振动信号和噪声信号,分别进行信号处理,然后综合进行诊断,可以大大提高诊断的准确性。2台电机齿动强迫传动的一般故障诊断ZKB系列直线振动筛采用双电机驱动,自同步传动,主振弹簧为橡胶弹簧,传动系统结构简单,维修方便。运转中不产生较强的噪声和振动。ZKX系列直线振动筛采用箱式激振器、单台电机齿动强迫传动。运动中容易产生由于加工、装配方面误差而引发较强的噪声和振动,安装技术要求高,维修质量难于保证。但它与ZKB系列直线振动筛显著不同的是,箱式激振器可离机维修,只要有适量的备用箱式激振器,不会对生产造成影响。ZKX系列常见故障:噪声严重、后墙板、筛板下底梁断裂、电机轴断裂、电机经常烧坏、电机底座螺栓振断、电机支撑架断裂、激振器传动齿轮及轴承损坏、主振弹簧折断、运转时出现跑料现象。ZKB系列常见故障:噪声严重、后墙板、筛板下底梁断裂、轴承润滑不良及损坏、运转时出现跑料现象。3故障诊断3.1振动信号法3.1.1振动筛弹簧振动的测试筛机特征振幅与加速度测量测点布置如图1所示。测点1、2、3、4为筛体与支撑弹簧联结点,对每个测点实测出料方向(水平方向)与垂直方向的振幅与加速度,测量结果如表1所示。根据表1,各筛最大双振幅值为6.8～8.2mm。按设计要求,ZKB系列振动筛双振幅为10～11mm,ZKX系列双振幅为6.8～11.4mm,各筛机最大双振幅均未超过设计值。从表1可以看出,对于各台振动筛,四个主振弹簧水平振动量级基本一致,但垂直振动量级差别较大。如5#筛机测点4的垂直振动幅值为3.1mm,而测点3的垂直振动幅值为1.7mm;3#筛机测点1的垂直振动幅值为2.9mm,而测点3的垂直振动幅值为1.55mm。支撑弹簧垂直振动幅值的严重差异将导致两个结果:其一,是垂直振动幅值较大的弹簧由于受力状况比其它弹簧恶劣,将先于其它弹簧折断,从维修的角度看,失效一组弹簧,须更换整个四组弹簧,增大维修工作量和维修成本;其二,是振动筛工作时会产生跑编现象。结合考虑水平、垂直振动幅值,5#、9#筛差别较大,其运转平稳性也较差,从现场维修和特征幅值分析均表明5#、9#机事故较多。3.1.2工作频率成分在空载状态下,对各振动筛若干特征点实测响应谱,以确定各筛机主要频率成分。从测试结果看,1#、3#、4#筛机空载Z向谱、Y向谱,筛板Z向谱、Y向谱,激振器Y向谱、Z向谱,频率成分单一,均为其工作频率,但5#、9#筛激振器、筛板Z向谱、Y向谱,频率成分均较复杂。实测振动响应频谱如图2、图3所示。从图2、图3可以看出,5#、9#两筛机其激振器响应谱图成分复杂,除工作频率外,尚有丰富的工作频率的倍频程。如5#的16Hz、128Hz、416Hz、448Hz、544Hz。9#筛机的15Hz、45Hz、60Hz、75Hz、90Hz、105Hz等。9#筛机响应谱频率成分复杂的原因是激振器部分存在故障。由于激振器部分除工作频率下的振动外,尚有工作频率倍频成分的振动,使电机轴实际受力情况远比单一工作频率下的受力情况恶劣,从而使电机寿命大大缩短,电机轴及底座易于折断。3.1.3激振器工作频率2对电机轴受力的影响如图4、图5为筛机、电机轴敲击响应谱和筛机电机支架传递函数幅值谱。从图4可以看出,9#筛机电机固有频率43Hz与74Hz与激振器工作频率的3倍与5倍频相近,从而使电机轴在近共振区工作,而电机轴受力为对称循环弯曲应力,这是导致电机轴断裂的主要原因。再从图5可以看出,电机支架传递函数中196Hz、316Hz、396Hz、612Hz、832Hz与激振器工作频率的13、21、26、41、55倍相近,从而使电机支架也在近共振区工作,正是由此原因造成支架底座焊接断裂。3.2噪声产生的原因如图6所示为9#筛机噪声谱。从图6可以看出,噪声谱主要频率均为工作频率的倍频进分,频谱范围较宽,且无明显的优势频率,表明产生噪声的原因是多方面的。3.3z机制及振动筛模态根据现场9#筛机故障较多的特点,对其作试验模态分析,并选取ZKB型4#筛机作对比,模态分析测试仪器框图见图7,结果见表2。图8～图10为ZKX系列第3、4、6阶振型图。从表2可以看出,ZKB2460A型振动筛模态数据及其各阶振型(因篇幅关系,这里仅列前2、3、4三阶振型,如图11～13所示)比较均匀,说明其结构无明显薄弱处。对比9#筛机噪声谱图与固有频率,噪声谱线242Hz、393Hz、437Hz与筛机的固有频率240.63Hz、393.48Hz、432.88Hz相近,这三阶模态主要是筛框的弯曲振动,其振动对噪声影响较大,从第3、5、6阶振型图看,筛框刚度不均匀,出料口左侧的刚度明显低于出料口右侧,左侧振动大,右侧振动小,这是影响该筛机脱水效果差,跑偏现象严重的重要原因。4改造方案和改造效果4.1仿真结果及特性措施根据前面故障原因分析,结合筛机整体结构特点,分步实施以下技术改造方案:①排除ZKX型激振器故障,从而消除激振器工作频率倍频部分振动,使激振器在单一工频下工作;②调整激振器工作频率(如改变传动比),使电机轴固有频率远离激振器工作频率的倍频,避免电机轴在近共振区工作;③增加电机支架的结构强度与刚度,使电机支架的固有频率远离激振器工作频率的倍频,避免电机支架在近共振区工作;④调整筛框结构与主振弹簧刚度,使筛框动态性能优良,四个主振弹簧静态垂向变形量、水平及动态振动量级基本一致;⑤采用阻尼减振措施降低筛板结构振动噪声;⑥采用阻尼减振措施降低箱式激振器和外置式偏心块保护外罩激振噪声,从而降低整个筛机噪声;⑦结合脱水工艺要求,将ZKX2460单层直线振动筛机改造成双层筛,筛框主梁由圆管改成矩形管,增大其抗弯强度,以箱式激振器空间坐标为变量,确定筛机重心,从而使新制筛机具有优良的动态性能;⑧对于ZKB型筛机,虽然结构上无大的问题,致命的问题是润滑不良,为解决设备维修费用太高及维修工作量大的状况,将原固体润滑改为稀油循环润滑,设置稀油泵站。4.2筛机改造效果经多项技术改造,实现了以上技术方案,如图14所示为ZKX型9#筛机故障治理效果。ZKX系列筛机改造后(重新设计、制造),使用寿命比改造前提高5～6倍,1997年自行设计、制造的双层ZKX系列筛机至今运转良好。ZKB系列筛机润滑系统改造后,轴承使用寿命提高了10倍,每年节省设备维修费用100万元以上,多年运行经验表明,ZKB系列筛机稀油润滑系统改造后并未出现泄漏严重的问题。5对现场机械的分析根据以上分析、讨论,以及长达10年的技术改造与设备运行管理的成功经验,我们总结出如下结论与建议:1)采用设备状态监测与故障诊断技术,识别振动机械运行状态与结构故障,指导现实生产和技术改造,从而实施机械设备状态维修,技术上是可行的,经济上具有较好