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破碎機故障診斷技術(shù)
一臺機器在它應(yīng)達到的功能上喪失了能力稱為這臺機器發(fā)生了故障。故障包括使機器設(shè)備立刻喪失其功能的破壞性故障、降低其功能但沒有完全喪失其功能的功能性故障和人為的誤操作停車故障。故障產(chǎn)生的原因有人為誤操作、由正常磨損或疲勞使機器設(shè)備達到其自然壽命和環(huán)境影響等三方面因素。
1.1故障診斷的基本概念
故障診斷是指在一定工作環(huán)境下查明導(dǎo)致系統(tǒng)某種功能失調(diào)的原因或性質(zhì)，判斷劣化狀態(tài)發(fā)生的部位或部件，以及預(yù)測劣化狀態(tài)的發(fā)展趨勢等。故障診斷有三個主要步驟：①檢測設(shè)備狀態(tài)的特征信號；②從所有檢測到的特征信號中提取征兆；③根據(jù)征兆和其它診斷信息來識別設(shè)備的狀態(tài)，從而完成故障診斷。系統(tǒng)軟件模塊圖如圖1所示。
1.2診斷信息的采集
對一臺機器或一個系統(tǒng)進行診斷時，第一步就是要探測出它的故障信息，也叫做故障探測，就是要收集到反映機器或系統(tǒng)故障的信息，即采集出機器或系統(tǒng)的故障信號，簡稱信號采集。故障信號的采集主要有直接觀察法、系統(tǒng)性能的測定、零件性能的測定、振動和噪聲監(jiān)測、磨屑的測定等多種方法。在此故障信號的采集主要通過傳感器來實現(xiàn)，傳感器的作用是把反映系統(tǒng)狀態(tài)的物理或化學(xué)變化的信息提取出來，轉(zhuǎn)變成信號傳遞到記錄裝置或數(shù)據(jù)處理設(shè)備中，供給識別或診斷系統(tǒng)的狀態(tài)之用。根據(jù)傳感器接收的物理參數(shù)不同可分為力傳感器、光學(xué)檢測傳感器、溫度測量傳感器、紅外監(jiān)測和診斷傳感器、聲音診斷傳感器和振動診斷傳感器。由于要用計算機進行故障診斷，因此要求傳感器輸出電流或電壓信號。
1.3故障診斷的智能化
故障診斷的智能就是可有效地獲取、傳遞、處理、再生和利用診斷信息，從而具有對給定環(huán)境下的診斷對象進行成功狀態(tài)識別和狀態(tài)預(yù)測的能力。智能診斷系統(tǒng)是由人（尤其是領(lǐng)域?qū)＜遥敶M腦功能的硬件及其必要的外部設(shè)備、物理器件以及支持這些硬件的軟件所組成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以對診斷對象進行狀態(tài)識別與狀態(tài)預(yù)測為目的。它具有以下特點。①它是一個開放的系統(tǒng)，其智能水平處于一個動態(tài)變化之中，且具備自我提高的潛能。②它是由計算機硬件與軟件組成的系統(tǒng)，但有不同于常規(guī)的計算機程序系統(tǒng)，不具有確定的算法和程序途徑。智能診斷系統(tǒng)是更具診斷過程的需要搜索和利用領(lǐng)域?qū)＜业闹R及經(jīng)驗來達到診斷的目的。③它是一個人工智能系統(tǒng)，離不開模擬人腦功能的硬件設(shè)備及軟件。
近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起，發(fā)展了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能診斷系統(tǒng)，將利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能、聯(lián)想記憶功能、分布式并行信息處理功能，解決診斷系統(tǒng)的知識表示、獲得和并行推理等問題。
2、系統(tǒng)總體設(shè)計
2.1系統(tǒng)設(shè)計思想
根據(jù)企業(yè)設(shè)備管理、設(shè)備綜合工程學(xué)、機器維修經(jīng)濟學(xué)等理論的思想和礦山設(shè)備故障診斷需求可知，設(shè)備故障診斷是一個系統(tǒng)工程，它包括設(shè)備狀態(tài)的評判和故障的診斷。其中故障診斷需要通過對設(shè)備進行在線、多點、多狀態(tài)的檢測和綜合測評才能給出準確的評測結(jié)果。以往的設(shè)備故障診斷技術(shù)主要采用專用設(shè)備對少數(shù)特定信號進行檢測，對信號分析處理效果取決于儀器設(shè)備。這種診斷方式有很大的局限性：①診斷費用高；②信號處理方式單一技術(shù)局限；③信號間不能建立聯(lián)系；④診斷結(jié)果不能充分利用。因此，根據(jù)虛擬儀器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、故障診斷以及設(shè)備管理的新技術(shù)和理論，利用信息融合技術(shù)開發(fā)出基于虛擬儀器的虛擬設(shè)備故障診斷網(wǎng)絡(luò)，同時整合設(shè)備在線檢測信息+對設(shè)備狀況作出綜合評判；系統(tǒng)還將全面克服目前所采用方法的不足和上述局限性。采用虛擬診斷網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)備故障的診斷，在技術(shù)上可實現(xiàn)先進性、完備性和可擴展性。同時能夠大幅度降低設(shè)備管理費用。
破碎機和傳送機為廠礦中主要生產(chǎn)設(shè)備之一。破碎機具有破碎比大、產(chǎn)量高、耗能少、產(chǎn)品粒度均勻等特點，獲得廣泛應(yīng)用。但破碎機在生產(chǎn)使用中存在諸多不理想狀況：①由于原料流動性的變化，難于達到均衡給料：②無法實時根據(jù)給料粒度及硬度的變化調(diào)整給料量：③難于及時發(fā)現(xiàn)處理機械潤滑不良、短時過載等事故隱患；④因保護功能不完善，發(fā)生事故時經(jīng)常嚴重損壞設(shè)備；⑤操作人員難于隨時監(jiān)視破碎機給料箱料位，因此為防止事故，只能減少給礦，降低臺時處理能力。
由于上述狀況的存在，表現(xiàn)在礦山生產(chǎn)管理中的現(xiàn)象是：①破碎機的臺時處理能力遠低于設(shè)備的設(shè)計指標：②產(chǎn)品粒度不易保證，加重后續(xù)作業(yè)負擔；③設(shè)備故障率高，備品備件消耗嚴重；④為防止事故，只能少給礦，使得單位能耗增高。因此必須對破碎機進行故障診斷與狀態(tài)監(jiān)控。
破碎機運行中難免出現(xiàn)故障，若出現(xiàn)一些較小的故障可以立即排除，而出現(xiàn)嚴重的故障，也許就會導(dǎo)致設(shè)備停止工作，這無疑會給企業(yè)造成巨大損失。因此，對破碎機進行故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測，對于設(shè)備管理和生產(chǎn)都十分重要。因此有必要建立一個狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，對破碎機等進行實時跟蹤監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，立即制定修理計劃，從而減少企業(yè)的損失，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。
2.2監(jiān)測對象選擇與傳感器安裝
破碎機組由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、備品備件消耗量大，因此對它診斷所設(shè)置的測點數(shù)量也非常龐大，診斷的內(nèi)容也不盡相同。但從總體上看，它包括破碎機、振動篩和皮帶這三個部分，其中破碎機又包括破碎機主體、潤滑系統(tǒng)和電機。
由于破碎機主體部分工作環(huán)境差、負荷重、工作狀態(tài)不易掌握，一旦發(fā)生故障就會造成直接和間接經(jīng)濟損失，故有必要采用信息融合技術(shù)對破碎機進行精確的監(jiān)測和診斷，盡早發(fā)現(xiàn)隱患，及時排除，使其始終在良好的環(huán)境和狀態(tài)下工作，以防突發(fā)故障造成的損失。在破碎機主體中需要診斷的部件包括有傳動軸、偏心套的止推軸承和排礦口等。在工作中偏心套軸承的垂直方向載荷由止推軸承承受，每次在安裝調(diào)節(jié)或工作中狀況不良時，很容易引起發(fā)熱，所以這是一個重要部位，應(yīng)進行定期診斷：破碎機碎礦石動力是通過傳動軸傳遞，每根軸是由兩個滑動軸承支承的懸臂筒支架，其工作狀態(tài)的好壞影響到動力的傳遞，因此傳動軸也是一個重要部位；破碎機排礦口常常會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，使破碎后的礦石無法排出，如有故障仍繼續(xù)給礦，礦石就會囤積到破碎機的破碎腔內(nèi)，使破碎機過負荷，同時使得事后處理非常困難，既費時又費力，因此該部位的診斷也是必不可少的。同時要使破碎機主體部分能在正常狀態(tài)下工作，必須保證具有良好的潤滑條件，因此對潤滑系統(tǒng)的診斷也是不可或缺的，潤滑系統(tǒng)的診斷又包括有過濾器、水平軸、冷卻管等部件。對破碎機的測點見表1，傳感器布置在破碎機及液壓系統(tǒng)。
2.3破碎機故障診斷軟件系統(tǒng)整體設(shè)計
日益完善的Internet/lntranet技術(shù)和虛擬儀器結(jié)合，開始在設(shè)備遠程診斷、性能綜合評估以及設(shè)備管理等領(lǐng)域嶄露頭角。本方案將虛擬儀器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及檢測數(shù)據(jù)的綜合分析處理技術(shù)結(jié)合在一起，構(gòu)建虛擬診斷網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)檢測、監(jiān)測、診斷、預(yù)測以及管理的綜合應(yīng)用。實現(xiàn)方式采用兩種模式。
(I)Client/Server模式：即客戶／服務(wù)器模式。這種模式是網(wǎng)絡(luò)通信中常用的一種模式。它一般有多個客戶端采集數(shù)據(jù)，有一個服務(wù)器充當數(shù)據(jù)庫的角色：客戶端通過通信協(xié)議把測試數(shù)據(jù)寫入遠程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。對于這種模式，需要編寫“寫”端和“讀”端的程序，主要采用DataSocket Server程序同步運行技術(shù)。在“寫”端，它可以顯示連接的客戶端的實際數(shù)目和顯示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)目。在“讀”“端”，它用來顯示接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目和數(shù)據(jù)來源。對于實時性要求較高、檢測任務(wù)繁忙的可采用這種方式。
(2) Browser/Server模式：即瀏覽器朋艮務(wù)器模式。這種模式是為了方便用戶在Web模式下發(fā)布數(shù)據(jù)。通常用戶端只需要安裝一個瀏覽器，直接訪問這個診斷網(wǎng)站的地址，就可以監(jiān)視遠程診斷點的數(shù)據(jù)變化情況。這種模式的主要工作在于服務(wù)器端程序的開發(fā)，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護。對于管理與狀態(tài)監(jiān)測以及非實時測控環(huán)境可采用這種方式。
對于生產(chǎn)過程的全程多參數(shù)的監(jiān)視與測量，為了滿足測量數(shù)據(jù)多樣應(yīng)用的目的，這兩種模式都會被用到。在生產(chǎn)部門及生產(chǎn)現(xiàn)場主要應(yīng)用了客戶/服務(wù)器模式，其主要作用是對參數(shù)的獲取和預(yù)處理，并把測得的數(shù)據(jù)存儲起來：而在管理部門，則要調(diào)用數(shù)據(jù)或監(jiān)視數(shù)據(jù)的變化，這就要用到瀏覽器／服務(wù)器模式。這兩種模式都可以通過應(yīng)用DataSocket組件來編程實現(xiàn)。
此系統(tǒng)將是一個功能齊全、結(jié)構(gòu)完善、性能指標優(yōu)良運行安全穩(wěn)定的大型設(shè)備管理系統(tǒng)。依據(jù)上述技術(shù)體系、應(yīng)用需求以及相關(guān)技術(shù)要求，可以確定系統(tǒng)是一個多種技術(shù)與成熟產(chǎn)品相結(jié)合的軟硬件相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)以.NET技術(shù)為核心，充分利用已有成熟的產(chǎn)品和技術(shù)的優(yōu)勢。系統(tǒng)主要包括計算機網(wǎng)絡(luò)、信號采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)器(WEB服務(wù)器)、虛擬儀器、設(shè)備性能評測、設(shè)備管理等部分。在設(shè)計中，對于各個組成部分，從多個不同的側(cè)面和系統(tǒng)整體的角度進行充分考慮已確定產(chǎn)品的選擇和相應(yīng)的實現(xiàn)技術(shù)。同時，充分考慮各個不同部分相互間的影響和適應(yīng)于匹配特性，使得各部分組合在一起后能夠達到安全可靠以及性能和靈活性等多方面的兼顧。虛擬診斷網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)見圖5。
2.4破碎機組的狀態(tài)異常監(jiān)測過程
由于信息融合診斷過程包含了三級融合診斷，每一次信息融合過程的執(zhí)行就需要消耗大量系統(tǒng)資源，執(zhí)行次數(shù)過多就會嚴重影響機器執(zhí)行速度，甚至導(dǎo)致死機。事實上，設(shè)備很少發(fā)生故障，沒有必要進行過多的信息融合過程，因此，除了數(shù)據(jù)層融合用于振動信號的數(shù)據(jù)采集且必須執(zhí)行以外，其余各層可以在故障診斷過程前就先進行異常判別，即當發(fā)生異常狀況時再利用信息融合技術(shù)進行故障診斷。狀態(tài)的異常判別是故障診斷的起點和基礎(chǔ)，它與故障診斷是兩個不可分割的過程，相對于故障診斷過程，異常判別是一個相對而言要簡單得多的過程，執(zhí)行時間和消耗的機器資源也要小得多。對于從傳感器采集到的反映破碎設(shè)備運行的狀態(tài)參數(shù)，需要通過特征提取，根據(jù)破碎設(shè)備的正常工作特性及制定的判斷標準判定其運行狀態(tài)是屬于正常還是異常，如果狀態(tài)屬于異常，則需要采用信息融合技術(shù)進一步診斷、找出故障原因。一般說來，從正常到異常是一個漸變過程，它是一個連續(xù)變化量，除突發(fā)性事故之外，機器的“正常”和“異常”屬于兩個模糊集，其邊界是模糊的，因此人為規(guī)定一個明確界線，或確定一個異常閾值來判斷機器是否異常，必然會將人的主觀誤差包括判斷誤差帶入故障診斷結(jié)果中，造成故障信息的謊報和漏檢。
引入模糊集，對于一個模糊子集A表示特征參數(shù)x的取值范圍，用隸屬函數(shù)PA(X)及其具體取值隸屬度來描述，對A的隸屬度。當/LA(X，)=0或1時，特征參數(shù)處在嚴格的正常和異常狀態(tài)；當PA(Xi》0.5時，開始進行故障檢測。
根據(jù)選擇的特征參數(shù)和異常報警方式的不同，其隸屬函數(shù)y-A(X)選取相應(yīng)的形武。特征參數(shù)異常檢測方式可分為上限、下限和上下限同時檢測等，例如對破碎機組主體，振動過大即為上限異常檢測方式：主油流壓力降低即為下限異常檢測方式：排礦口尺寸大小即為上下限異常檢測方式；相應(yīng)的隸屬函數(shù)/LA(X)具體可選取升半柯西函數(shù)、降半柯西函數(shù)和兩種的結(jié)果。
3、結(jié)語
故障診斷的最終目的是要維持設(shè)備正常可靠的運行，如何能使故障少發(fā)生甚至不發(fā)生是設(shè)計診斷系統(tǒng)所需要解決的重要課題之一，本文所設(shè)計的診斷系統(tǒng)能精確診斷故障的發(fā)生，但是如果能在故障的發(fā)生以前就能得到預(yù)報使之得到有效處理，制止故障的發(fā)生，則能大大提高生產(chǎn)效率，減少事故的發(fā)生。本系統(tǒng)在鞍山鋼鐵集團齊大山礦已投入運行，取得很好的效果。
相關(guān)礦山機械設(shè)備：
1、
圓錐破碎機
2、
雷蒙磨粉機
3、
顎式破碎機
