CN103234742B - 振动筛减振弹簧故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种振动筛减振弹簧故障诊断方法，属于弹簧故障诊断方法。将弹簧无故障下的四弹簧实测静态变形量的数值与弹簧发生故障后四弹簧的实测静态变形量值一一对应相减求差，实施静态下的故障弹簧诊断；对弹簧故障后的振动筛四弹簧支座处的实测自由振动响应进行分析，利用三维条形图和三维谱阵，实施动态下的故障弹簧诊断。两者的诊断结果相一致时，即为诊断结果；反之，重复上述步骤，直到诊断结果一致为止。优点：1) 采用了四个位移传感器和一个采集卡，设备简单、投入少且安装方便；2) 在所述硬件配置下，静态的和动态的弹簧故障诊断方法相互结合，实现诊断的高精度。动态的弹簧故障诊断方法可以在振动筛停机后的自由振动过程中进行，无需其他动力输入。

Description

振动筛减振弹簧故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种弹簧故障诊断方法，特别涉及一种振动筛减振弹簧故障诊断方法。

背景技术

在选煤行业，通常是利用单个金属圆柱螺旋压缩弹簧或多个该类弹簧的并联组合体构成振动筛的主减振装置。由于受长期静、动压载荷，实际生产中弹簧常发生严重扭曲变形、簧丝裂痕、卡牢或簧力不足等损坏或故障。弹簧在强交变载荷下，疲劳或碰撞摩擦引起的簧丝损伤如果不能及时发现和排除，微观上会影响弹簧的材料特性及实际刚度，使之非线性传递特性明显增强且不满足设计标准要求，而宏观上将引起筛体的不稳定振动(如筛箱横向摆动和两侧板对称点双振幅差过大)，不仅会影响设备筛分效率，还会激发筛机的高阶弹性振动而降低其可靠性。可以说，弹簧健康与否对筛体结构寿命具有直接影响。

现阶段对弹簧故障的诊断主要包括两类方法：一、从弹簧零件簧丝角度，利用金属失效和疲劳分析的方法进行故障诊断。实行这类方法时，一般先在扫描电镜上观察弹簧表面、裂纹分布、裂纹形貌及裂纹端口特征等，再对能谱测定结果等进行分析诊断；二、从系统振动信号分析角度，利用弹簧失效前后振动加速度信号的广义频率响应函数(GFRF)的谱特征变化的原理，进行非线性谱分析来诊断失效，或者利用包络解调法从多源多干扰信号中分离出系统固有频率成分的振动信号进行分析。以上方法应用到振动筛弹簧故障诊断中时，前者需要在停机状态下，须将弹簧拆卸下来进行分析，而且工作环境所致的弹簧表面其他颗粒物较多，易影响电镜扫描效果；后者虽然避免了前者的缺陷，且能用于在线测试，但必须要先利用大量的已知弹簧样本建立正常弹簧与失效弹簧的标准GFRF谱特征数据库，操作过程复杂。

中国专利201110392168.8公开了一种矿用振动筛在线监测与故障诊断装置及其方法，实现了弹簧的在线监测、故障诊断及报警功能，从而提高了振动筛的使用安全性，但是对四个弹簧同时监测时需要八只三向加速度传感器及对应的采集卡，对弹簧振动信号的处理过程比较复杂，此外还需要建立历史特征数据等。

发明内容

本发明的目的是要提供一种振动筛减振弹簧故障诊断方法，解决当前弹簧失效分析及振动诊断的操作复杂的问题。

本发明目的是通过以下技术方案实现的：该弹簧故障诊断方法利用弹簧均无故障下的各弹簧实测静态变形量的数值与某弹簧发生故障后各弹簧的实测静态变形量值进行比较，判断初始故障弹簧位置；进而，对某弹簧故障后的振动筛四弹簧支座处的实测自由振动响应进行分析，进一步精确确定故障弹簧位置；具体步骤如下：

(1) 硬件布置：将位移传感器安装在振动筛底座上，用于测试弹簧上压板的移动位移量，该移动位移量即为压缩弹簧的压缩变形；位移传感器采集的信号由信号采集卡传输到计算机中；

(2) 弹簧均无故障时的数据采集：弹簧均无故障情况下，将一重物放置于振动筛筛面任意位置处，使筛面下沉，同时筛面四角的减振弹簧均发生线性压缩变形，但不发生压并变形，利用位移传感器采集重物放置前后四个弹簧的压缩变形变化量；

(3) 弹簧故障时的数据采集：弹簧故障时，将所述步骤(2)的同一重物放置于所述步骤(2)的振动筛筛面任意位置处，使筛面下沉，同时筛面四角的减振弹簧均发生线性压缩变形，但不发生压并变形，利用位移传感器采集重物放置前后四个弹簧的压缩变形变化量；将所述步骤(2)的同一重物从放置的所述步骤(2)的振动筛筛面任意位置处迅速取出，筛体作自由振动，利用位移传感器采集四弹簧压板处的自由振动信号；上述压缩变形变化量和自由振动信号均通过采集卡传输入计算机中，储存等待处理；

(4) 静态下的故障弹簧诊断：将所述步骤(2)和所述步骤(3)的四个弹簧的压缩变形变化量一一对应相减求差，所得到的故障前后各弹簧的压缩变形变化量的差值中绝对值最大的所对应的弹簧即初始诊断为故障弹簧；

(5) 动态下的故障弹簧诊断：将所述步骤(3)的自由振动信号的范围、最大值、方差以及均方根四个参量进行计算，利用三维条形图直观反映各参量值在各测点处的大小关系，即横坐标为参量类型，纵坐标为参量值，斜坐标为测点位置，四参量中含最大参量值个数最多的测点位置所对应的弹簧定位为故障发生处；将上述自由振动信号分成若干段数据，进行FFT分析，得到全程数据的频谱特性，利用三维谱阵将各测点的幅值谱定间隔隔开，即横坐标为频率，纵坐标为谱值，斜坐标为测点位置，构成测点―频率―谱值的三维谱阵；对三维谱阵中各测点自由振动响应信号的频谱峰值进行比较，频谱峰值最大处对应了故障弹簧位置，位于此处的弹簧即诊断为故障弹簧；

(6) 精确故障弹簧诊断：将所述步骤(4)的静态下的故障弹簧诊断和所述步骤(5)的动态下的故障弹簧诊断结果相比较，两者的诊断结果相一致时，即为诊断结果；反之，则重复上述步骤，直到诊断结果一致为止。

有益效果，由于采用了上述方案，将弹簧均无故障下的四弹簧实测静态变形量的数值与弹簧发生故障后四弹簧的实测静态变形量值一一对应相减求差，实施静态下的故障弹簧诊断；对弹簧故障后的振动筛四弹簧支座处的实测自由振动响应进行分析，利用三维条形图和三维谱阵，实施动态下的故障弹簧诊断。两者的诊断结果相一致时，即为诊断结果；反之，则重复上述步骤，直到诊断结果一致为止。在振动筛交变载荷作用下，弹簧承受机械疲劳而造成簧丝微损，一般肉眼无法直接观察发现，而簧丝微损将引起弹簧物理特性的变化，进而引起弹簧刚度的变化，从而可以通过弹簧刚度的变化来诊断故障弹簧。解决了当前弹簧失效分析及振动诊断的操作复杂的问题，其搭建的测量系统具有设备简单、成本投入低、测量数据少及精度高等特点，

优点：测量系统设备简单、成本投入低、测量数据少及精度高等特点。

1) 采用了四个位移传感器和一个采集卡，设备简单、投入少且安装方便；

2) 在上述一套硬件配置下，静态的和动态的弹簧故障诊断方法相互结合，实现诊断的高精度。动态的弹簧故障诊断方法可以在振动筛停机后的自由振动过程中进行，无需其他动力输入。

附图说明

图1是本发明的技术流程图。

图2是本发明的实施振动筛减振弹簧故障诊断的硬件组成图。

图3是静态下的振动筛减振弹簧故障诊断的执行结果图。

图4是动态下的振动筛减振弹簧故障诊断的三维条形图。

图5是动态下的振动筛减振弹簧故障诊断的三维谱阵。

图中：1-1、第一减振弹簧；1-2、第二减振弹簧；1-3、第三减振弹簧；1-4、第四减振弹簧；2-1、第一位移传感器；2-2、第二位移传感器；2-3、第三位移传感器；2-4、第四位移传感器；3、重物；4、筛面；5、信号采集卡；6、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步的说明：

实施例1：利用弹簧均无故障下的各弹簧实测静态变形量的数值与某弹簧发生故障后各弹簧的实测静态变形量值进行比较，判断初始故障弹簧位置；进而，对某弹簧故障后的振动筛四弹簧支座处的实测自由振动响应进行分析，进一步精确确定故障弹簧位置；具体步骤如下：

(1) 硬件布置：在图2中，硬件部分包括位移传感器、重物3、信号采集卡5和装有诊断软件的计算机6。所述的位移传感器有第一位移传感器2-1、第二位移传感器2-2、第三位移传感器2-3和第四位移传感器2-4；四个位移传感器均通过螺栓联接或磁座吸附而安装在振动筛底座上，分别用于测试减振弹簧的上压板的移动位移量，所述的减振弹簧有第一减振弹簧1-1、第二减振弹簧1-2、第三减振弹簧1-3和第四减振弹簧1-4，该移动位移量即为放置重物后压缩弹簧的压缩变形或筛体自由振动时弹簧上压板的自由振动响应；所述的压缩变形或自由振动响应均由信号采集卡5采集并传输到计算机6中进行分析处理。

(2) 弹簧均无故障时的数据采集：弹簧均无故障情况时，将重物3放置在筛面上，利用上述四个位移传感器，测试弹簧均健康情况下重物3放置前后的四个减振弹簧压缩变形变化值量为Z₁₀~ Z₄₀；

(3) 弹簧故障时的数据采集：弹簧故障时，将重物3放置在筛面上，利用上述四个位移传感器测试弹簧故障下重物3放置前后的四个减振弹簧压缩变形变化值量为Z₁~ Z₄，测得量值通过采集卡传输入计算机中，储存等待处理；将步骤(2)的同一重物从放置的步骤(2)的振动筛筛面任意位置处取出，筛体作自由振动，利用位移传感器采集四弹簧压板处的自由振动信号并传输入计算机中，储存等待处理；

(4) 静态下的故障弹簧诊断：计算Z₁-Z₁₀、Z₂-Z₂₀、Z₃-Z₃₀和Z₄-Z₄₀的值，比较各自的绝对值，绝对值最大的所对应的弹簧即初始诊断为故障弹簧；

(5) 动态下的故障弹簧诊断：将步骤(3)中的各弹簧压板处的自由振动信号的范围、最大值、方差以及均方根等四个参量进行计算，利用三维条形图直观反映各参量值在各测点处的大小关系，即横坐标为参量类型，纵坐标为参量值，斜坐标为测点位置，四参量中含最大参量值个数最多的测点位置所对应的弹簧定位为故障发生处；上述自由振动信号分成若干段数据，进行FFT分析，得到全程数据的频谱特性，利用三维谱阵将各测点的幅值谱定间隔隔开，即横坐标为频率，纵坐标为谱值，斜坐标为测点位置，构成测点―频率―谱值的三维谱阵。三维谱阵中，频谱峰值最大处的测点对应了故障弹簧位置，位于此处的弹簧即诊断为故障弹簧。

(6) 精确故障弹簧诊断：将步骤(4)的静态下的故障弹簧诊断和步骤(5)的动态下的故障弹簧诊断结果相比较，两者的诊断结果相一致时，即为诊断结果；反之，则重复上述步骤，直到诊断结果一致为止。

下面采用在原四个减振弹簧均健康的情况下，通过更换第二减振弹簧1-2的方法来模拟第二减振弹簧1-2故障，以验证本发明提出的故障诊断方法的有效性：

在图3中，静态下的故障弹簧诊断：第二减振弹簧1-2故障前，筛面重放置物3后，四个减振弹簧的变形变化量分别为Z₁₀=1.3500mm、Z₂₀=0.2000 mm、Z₃₀=-0.2400 mm和Z₄₀=0.3100 mm，第二减振弹簧1-2故障后，筛面放置重物3后，四个减振弹簧的变形变化量分别为Z₁=1.2300 mm、Z₂=0.3600 mm、Z₃=-0.2200 mm和Z₄=0.2800 mm，所以Z₁- Z₁₀、Z₂- Z₂₀、Z₃- Z₃₀和Z₄- Z₄₀的绝对值分别为0.12 mm、0.16 mm、0.02 mm、0.03 mm，由于Z₂- Z₂₀的绝对值最大，故初始诊断第二减振弹簧1-2故障。

动态下的故障弹簧诊断：第二减振弹簧1-2故障后，重物3从筛面取出后，筛体作自由振动，四个减振弹簧处上压板的自由振动响应的时域参数(箭头指向，从里向外分别指代范围、最大值、均方根和方差) 绘制于三维条形图中，如图4所示，数字代表弹簧位置，条形图下方为故障指示灯，从左至右别指代四个减振弹簧，红灯亮表示故障。由于各时域参数中，第二减振弹簧1-2的条形最高，所以第二减振弹簧1-2故障。四个减振弹簧处上压板的自由振动响应在频域处理后绘制于三维谱阵中，如图5所示，第二减振弹簧1-2的谱值最大，故第二减振弹簧1-2发生故障。

静态下与动态下的诊断结果均相同，故精确诊断结果为第二减振弹簧1-2故障。

上述结果说明了本发明对振动筛减振弹簧诊断的有效性。

Claims (1)

1.一种振动筛减振弹簧故障诊断方法，其特征是：该弹簧故障诊断方法利用弹簧均无故障下的各弹簧实测静态变形量的数值与某弹簧发生故障后各弹簧的实测静态变形量值进行比较，判断初始故障弹簧位置；进而，对某弹簧故障后的振动筛四弹簧支座处的实测自由振动响应进行分析，进一步精确确定故障弹簧位置；具体步骤如下：

(1) 硬件布置：将位移传感器安装在振动筛底座上，用于测试弹簧上压板的移动位移量，该移动位移量即为压缩弹簧的压缩变形；位移传感器采集的信号由信号采集卡传输到计算机中；

(2) 弹簧均无故障时的数据采集：弹簧均无故障情况下，将一重物放置于振动筛筛面任意位置处，使筛面下沉，同时筛面四角的减振弹簧均发生线性压缩变形，但不发生压并变形，利用位移传感器采集重物放置前后四个弹簧的压缩变形变化量；

(3) 弹簧故障时的数据采集：弹簧故障时，将所述步骤(2)的同一重物放置于所述步骤(2)的振动筛筛面任意位置处，使筛面下沉，同时筛面四角的减振弹簧均发生线性压缩变形，但不发生压并变形，利用位移传感器采集重物放置前后四个弹簧的压缩变形变化量；将所述步骤(2)的同一重物从放置的所述步骤(2)的振动筛筛面任意位置处迅速取出，筛体作自由振动，利用位移传感器采集四弹簧压板处的自由振动信号；上述压缩变形变化量和自由振动信号均通过采集卡传输入计算机中，储存等待处理；

(4) 静态下的故障弹簧诊断：将所述步骤(2)和所述步骤(3)的四个弹簧的压缩变形变化量一一对应相减求差，所得到的故障前后各弹簧的压缩变形变化量的差值中绝对值最大的所对应的弹簧即初始诊断为故障弹簧；

(5) 动态下的故障弹簧诊断：将所述步骤(3)的自由振动信号的范围、最大值、方差以及均方根四个参量进行计算，利用三维条形图直观反映各参量值在各测点处的大小关系，即横坐标为参量类型，纵坐标为参量值，斜坐标为测点位置，四参量中含最大参量值个数最多的测点位置所对应的弹簧定位为故障发生处；将上述自由振动信号分成若干段数据，进行FFT分析，得到全程数据的频谱特性，利用三维谱阵将各测点的幅值谱定间隔隔开，即横坐标为频率，纵坐标为谱值，斜坐标为测点位置，构成测点―频率―谱值的三维谱阵；对三维谱阵中各测点自由振动响应信号的频谱峰值进行比较，频谱峰值最大处对应了故障弹簧位置，位于此处的弹簧即诊断为故障弹簧；

(6) 精确故障弹簧诊断：将所述步骤(4)的静态下的故障弹簧诊断和所述步骤(5)的动态下的故障弹簧诊断结果相比较，两者的诊断结果相一致时，即为诊断结果；反之，则重复上述步骤，直到诊断结果一致为止。