TD300型礦用帶式輸送機托輥故障的診斷研究

張 鍇

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036000）

引言

與其他運輸設(shè)備相比，輸送帶作為散狀物料運輸設(shè)備具有運輸距離長、效率高、運營成本低等優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但其在使用過程中常出現(xiàn)一些故障，如膠帶跑偏、膠帶打滑、撒料、異常噪音等，而一般傳輸帶發(fā)熱，并伴隨有節(jié)律性噪音，則為托輥軸承失效。輸送設(shè)備一般是全時運行，一旦出現(xiàn)故障就意味著需要停工檢修，易引發(fā)各種問題。所以對于皮帶托輥的故障分析研究具有實際的工程意義。本文研究應(yīng)用加速度傳感器對托輥振動的信號提取，為了對比分析、排除一些背景噪音，同時采集一組沒有噪音的托輥信號，結(jié)合LMD算法分解與篩選，獲得了比較準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果[2]。

1 帶式輸送機常見故障

帶式輸送機在煤礦開采行業(yè)被廣泛的使用，無論是在車間對煤礦進(jìn)行轉(zhuǎn)運，還是在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場都可以見到輸送機的使用。由于帶式輸送機使用頻率高，而且一些地方受到物料載荷沖擊明顯，所以經(jīng)常導(dǎo)致輸送帶產(chǎn)生故障。

以TD300型帶式輸送機為分析對象，在其故障診斷方面已經(jīng)積累了較多的使用經(jīng)驗，從使用者角度出發(fā)常見的故障主要包括如下幾類：皮帶運輸機皮帶跑偏故障、皮帶運輸機的撒料、噪音異常（主要是托輥中的軸承故障）、減速機的斷軸、皮帶打滑等故障。

帶式輸送機是一種在工業(yè)領(lǐng)域常用的設(shè)備，對于其故障類型有比較成熟的手段來判定、解決故障，本文基于某企業(yè)現(xiàn)場托輥故障展開，由于皮帶噪音異常，且皮帶有發(fā)熱顯現(xiàn)，可以初步斷定是托輥內(nèi)軸承故障，出現(xiàn)卡滯導(dǎo)致皮帶與托輥摩擦。

2 振動信號的采集

托輥是帶式輸送機上的關(guān)鍵部位，是帶式輸送機的牽引與承載構(gòu)件，屬于一種國際標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。本文研究對象為某散貨碼頭使用的傳送帶，該輸送帶的總體技術(shù)水平狀況可以概況為：拉伸強度 6 000 N/mm、帶厚 30 mm、帶寬 2 000 mm、工作溫度-50～200℃、織物芯輸送帶設(shè)計使用壽命5年。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。BM皮帶帶速為4.8 m/s、托輥軸承型號為SKF308、托輥直徑為194 mm，托輥組組成如圖1所示[3]。

圖1 托輥組示意圖

圖2 傳感器布置位置圖

在該帶式運輸機的使用過程中，發(fā)現(xiàn)皮帶的溫度異常升高，皮帶使用壽命嚴(yán)重下降，根據(jù)實際情況，發(fā)現(xiàn)在傳送帶受料處，伴隨有較為明顯的噪音。設(shè)備工作時滾筒驅(qū)動皮帶，此次出現(xiàn)明顯噪音的托輥屬于是承載托輥，因其在受料處，因此受到較強的沖擊載荷，出現(xiàn)故障。為進(jìn)一步確定故障來源，在正常與故障的托輥相同位置安裝加速度傳感器，傳感器布置位置如圖2所示，采集托輥三個位置的振動信號，經(jīng)對比分析，選擇W2位置所采集的信號進(jìn)行分析。

實驗中使用傳感器為LC0199型，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 LC0199型傳感器技術(shù)參數(shù)

輸送帶故障絕大部分原因是軸承的故障，根據(jù)噪音信號是由低端托輥組發(fā)出，并且呈現(xiàn)周期性特征，在設(shè)備運行過程中并未見較明顯的托輥軸心偏差，外觀無變形；托輥正常運行噪音小，此時產(chǎn)生異常噪音一般是由軸承損壞，并發(fā)出周期性響聲[4]。

托輥組在運行過程中軸承外圈靜止，內(nèi)環(huán)滾動，若滾動體與滾道面間無相對的滑動，且軸承各零部件都視為剛體，則可以根據(jù)軸承的幾何尺寸與轉(zhuǎn)速計算出軸承各個部位的故障特征頻率。托輥軸承結(jié)果如下圖3所示，圖中：dm為軸承節(jié)徑；D為滾動體直徑；α為接觸角。

圖3 托輥軸承結(jié)構(gòu)示意圖

因外圈靜止，所以內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率為fi，保持架旋轉(zhuǎn)頻率為fc。軸承零件表面產(chǎn)生損傷時，滾動體轉(zhuǎn)動時造成沖擊，由沖擊引起的振動的低頻分量被稱為“通過振動”，其振動頻率由損傷點所在位置決定，因此被稱為故障特征頻率[5]。

軸承元件工作表面的損傷點反復(fù)撞擊與之相接觸的其他元件表面而產(chǎn)生周期性的沖擊振動成分，沖擊振動的頻率一般在1 kHz以下，該頻率稱為軸承故障特征頻率，以下的理論公式可作為后文托琨振動信號分析計算的理論依據(jù)。

內(nèi)圈故障頻率：

外圈故障頻率：

滾動體故障頻率：

保持架故障頻率：

式中：fr為軸承旋轉(zhuǎn)頻率；N為球個數(shù)；D為軸承節(jié)徑；β為軸承壓力角。

3LDM算法的簡介

局部均值分解（Local Mean Decomposition,LMD），是一種新的對信號進(jìn)行時頻分析的方法，適合對非平穩(wěn)信號進(jìn)行分解。LMD依據(jù)信號自身的信息進(jìn)行自適應(yīng)分解LMD分解最終目的是將原始信號分解為一系列的具有真實的物理意義的調(diào)頻信號與包絡(luò)信號的乘積函數(shù)。其利用移動平均濾波法進(jìn)行平滑處理得到局部包絡(luò)函數(shù)，LMD的計算流程在此不再贅述。

通過計算分解得到的各層分量與原始待分解信號的相關(guān)系數(shù)，可以用來判斷分解中的虛假分量。將LMD分解前六層PF分量的歸一化能量作為故障特征值，用于后文的故障模式識別中[6]。

4 托輥振動信號的分析

故障診斷過程為獲取信號、提取故障的特征、最后識別故障類型。前文中已經(jīng)對振動信號獲取以及故障特征的提取方法進(jìn)行了簡要的描述。在現(xiàn)場采集的信號共有兩組，一組為故障托輥信號、一組為正常托輥信號，LMD對信號進(jìn)行提取分析，將兩組信號的結(jié)果作對比，可以更加準(zhǔn)確判斷到振動信號中的非周期成分，以及一些設(shè)備自身的背景噪音。下頁圖4、圖5為發(fā)生故障前后LMD分解的前8層PF分量。

從LMD的結(jié)果來看，將正常信號與故障信號進(jìn)行對比。故障信號LMD分解的前2階信號均為分解出來的噪音信號，LMD分解的結(jié)果擬合得到57 Hz、70 Hz、117 Hz、147 Hz，其中 117 Hz、147 Hz 出現(xiàn)在前兩階IMF分解中，可以初步判斷其為噪音信號。結(jié)合正常與故障信號LMD分解與傳統(tǒng)譜分析可以初步確定故障頻率為57 Hz、70 Hz，為進(jìn)一步確定故障信號的特征值，在此引入方差、峭度、脈沖指標(biāo)、有效值、峰值的評價指標(biāo)，特征值提取，提取出的特征值將用于軸承故障模式的識別中。

已知傳送帶的運輸速度為4.8 m/s，可以得到軸承轉(zhuǎn)動基頻為7.87 Hz，結(jié)合正常與故障信號LMD分解可以初步確定故障頻率為57 Hz、70 Hz，根據(jù)經(jīng)驗公式計算結(jié)果57 Hz、85 Hz出現(xiàn)內(nèi)圈故障，所以綜合以上診斷結(jié)果確定57 Hz為故障源頻率，SKF308軸承滾動體個數(shù)Z=12，由經(jīng)驗公式fi=0.6Zfr計算得到fi=0.6×12×7.87=56.6，驗證軸承確實存在內(nèi)圈故障。

圖4 故障信號LMD分解后各層分量及頻譜圖

圖5 正常信號LMD分解后各層分量及頻譜圖

5 結(jié)論

1）LMD是一種新的對信號進(jìn)行時頻分析的方法，其依據(jù)信號自身的信息進(jìn)行自適應(yīng)分解，LMD獲取包絡(luò)函數(shù)的方法是利用移動平均濾波法，不會產(chǎn)生過包絡(luò)或欠包絡(luò)的現(xiàn)象，診斷分解結(jié)果更可靠。

2）本文結(jié)合LMD分解方法優(yōu)勢，LMD診斷故障頻率為57 Hz、70 Hz，經(jīng)公式驗證存在內(nèi)圈故障，綜合以上分析結(jié)果可以確定故障頻率為57 Hz，由經(jīng)驗公式驗證了軸承存在內(nèi)圈故障。

3）軸承故障診斷已經(jīng)具有相當(dāng)可靠的數(shù)據(jù)，通過LMD算法可快速診斷得到故障源頻率，實際工程應(yīng)用中具有重要意義。