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1.鼓风机设备2.加速度传感器3.工控主机4.高频采集模块
图1 硬件设计及安装方式
污水处理厂生物池采用单级离心鼓风机,功率860 kW,转速为12 848 r/min,基频为208 Hz。硬件选择12.8 K高频采集卡。加速度传感器频响区间选为14 K,安装在鼓风机轴承座的水平和垂直位置。
2•设备预测性维护系统软件开发
2.1 信号采集功能开发
首先,配置通道及采样模式,读取采集卡采集的振动数据。每隔1 min采样1次,每次采样4 096个加速度数据。其次,对加速度信号进行积分处理,得到设备振动速度信号(下称振动信号)。鼓风机轴承座垂直方向的振动信号如图2所示。
图2 振动信号采集
由图2可知,鼓风机振动速度有效值为1.7 mm/s。由于振动速度较小,振动信号受到环境和电磁干扰较为严重。普通滤波方法在过滤低幅值波形时误差较大,所以本设计采用硬阈值小波滤波方式对振动信号进行滤波处理,提高信号信噪比。
振动信号采样频率为12.8 K,信号连续性好,故选用sym8小波基作为小波分解函数,将振动信号从时域变换成小波域,得到振动信号的小波系数。其次,根据BirgeMassart准则,确定阈值系数,为小波系数3倍标准偏差(3σ)。大于3σ的小波系数保留,小于3σ的小波系数全部置零,得到新的小波系数集。最后,对新的小波系数集进行小波逆变换,还原出去噪后的振动信号。去噪效果如图3所示,根据式(1)~(3)计算出信噪比为56.2,参考小波去噪评价指标降噪效果理想。
式中f(n)——原始信号功率;
fs(n)——去噪声信号功率;
snr——信噪比,dB。
图3 小波去噪对比
2.2 信号分析功能开发
本设计采用时域分析和频域分析结合的方式。其中时域分析以分析振动趋势为主,当振动幅值超过设定阈值时,系统自动报警。具体设计如下:
首先,读取去噪后的振动信号(4 096个振动数据)。其次,计算出振动速度有效值作为振动幅值。接着,按照国际标准ISO 10816-3,标出设备正常运行、故障初期和设备损坏区间。当振动幅值超出正常运行区间时,系统自动报警。额定功率大于300 kW并且小于50 MW的刚性连接设备故障区间如表1所示。
表1 振动标准
频域分析是指对振动信号进行频谱分析,找出频谱中波峰处对应的频率值,结合设备参数和故障特征理论计算值,推测出设备故障类型、故障位置以及剩余寿命。由于FFT在分析复杂信号时具有一定局限性,复杂的振动信号经过FFT变换后会得到多个波峰,给故障分析带来很大干扰。对比图4a~图4c,同一故障轴承信号采用不同的分析方式,会得到包含不同干扰波峰干扰的频谱图。通过分析大量污水处理厂单级离心鼓风机振动的历史数据(维修中心提供),发现鼓风机故障以转子不平衡、转子不对中、润滑不足、轴承问题为主。参考回转类设备故障频率与基频之间关系,本设计对不同故障(不同频谱区间)采用不同的频谱分析方法,排除干扰波峰。0~3倍基频区间采用FFT方法,针对转子不平衡、转子不对中、机械松动等故障。3~6倍基频采用功率谱分析方法,针对轴承故障。6~10倍基频采用边频带分析方法,针对转齿轮故障。
图4 频域分析
根据主轴基频f和故障频率理论计算值,设计特征故障频域段,如表2所示。
表2 故障预测频率
注:n为通过滚动体个数×0.6、齿轮齿数、叶轮个数;所有倍频均选基频的0.8~1.2区间;即1f频段为0.8~1.2f。
接着,按照频域段依次获取各频谱段中波峰对应的频率值。对各个波峰频率按照表2和理论计算值进行逻辑判断,预测出设备故障类型。最后,通过鼓风机振动数据、故障特征频率、轴承全生命周期振动数据以及故障类型数据,拟合出设备剩余寿命函数,计算出当前振动速度值下的设备剩余寿命。以轴承故障为例,故障计算公式见式(4)~式(6):
式中fi——轴承内圈故障频率,Hz;
ni——内圈转速,r/min;
ne——外圈转速,r/min;
d——滚动体直径,mm;
α——接触角,°;
Dm——滚动体中心圆直径,mm;
z——滚动体个数,个;
fe——外圈故障频率,Hz;
fo——滚动体故障频率,Hz。
3•系统应用及效果
本系统应用在污水处理厂生化池鼓风机设备、离心机设备上,取得了显著效果。加速度传感器安装在鼓风机与电机联轴器水平位置处,监测1#和3#鼓风机运行状态,采集到的振动信号如图5所示。
图5 1#、3#鼓风机振动数据
鼓风机振动速度有效值大于4.5 mm/s,设备已处于故障初期,如图6所示。电机转速为2 982 r/min,基频为49.7 Hz,转子二倍频为主波峰,系统给出设备故障为转子不对中故障,剩余寿命为47 d,指导厂里工作人员计划性停机维修。3#鼓风机振动速度有效值为2.6 mm/s,频谱主波峰较多,无故障波峰,设备处于正常运行区间。
图6 1#、3#鼓风机振动频谱
如图7所示,本系统应用在污泥处理车间离心机设备上,监测设备振动速度有效值为6.4 mm/s,已处于故障初期,主机转速为1 699 r/min,基频为28.3 Hz,转子一倍频为主波峰,系统给出设备故障为转子不平衡故障,剩余寿命为16 d,如图8所示。
图7 离心机振动数据
图8 离心机振动频谱
4•结语
设备预测性维护系统实时采集污水处理厂鼓风机、离心机等大型设备的高频振动信号,通过先进的频谱分析和时序预测算法,实时分析、预测设备故障。在实地应用期间,该系统监测出污水处理厂在用设备潜在的故障,给出设备剩余寿命和故障。该产品的应用可显著降低污水处理厂关键性设备损坏停产的风险,协助智慧污水处理厂少人值守和设备智能管理的目标。
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