CN104748966A - 输送机滚筒轴承混合监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输送机滚筒轴承混合监测系统，包括电机、联轴器、左端支撑轴承、轴向位移传感器、轴向位移承载盘、径向位移传感器、声音收录器、信号调节器、计算机、右端支撑轴承、驱动链条、滚筒轴，电机通过联轴器带动滚筒轴转动，滚筒轴支撑在左端支撑轴承和右端支撑轴承之间，滚筒安装在滚筒轴上，并与左端支撑轴承和右端支撑轴承相配合，其中：所述滚筒轴上还设置有轴向位移承载盘，其用来将所述滚筒轴受到的轴向力Fa传递至轴向位移传感器，所述滚筒内部还设置有径向位移传感器，用于检测滚筒轴受到的径向力。本发明降低了测量难度，可以方便安全的得到输送机的运行状态，从而保证机器和操作人员的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监视输送设备的装置，更具体地，本发明涉及对于输送装置滚筒轴承的混合在线监测。
背景技术
在现有技术中，皮带输送机和滚筒输送机通常都采用滚筒进行动力传动，滚筒则安装在滚动轴承上。目前，各工矿企业对输送装置的在线监测研发较为成熟，例如，利用光电系统对输送带承载面和/或滚动面，特别是对承载面进行光学检测，其中对在运行时出现的损伤进行识别和在达到输送带临界状态时发出声响和/或光学报警信号和/或特别是促使输送设备自动断开。
又如，在滚筒类输送机中，滚筒通过链条连接，链条由顶部驱动链轮来驱动。正常情况下链条和驱动链条的齿轮是相互间紧密配合以保证链条的正常运转，然而，在现实的实际应用中，由于整个链条在链轮运转的过程中没有防止链条跳齿的装置，故有时在物料运输过程中由于物料重量、机械零部件故障、驱动系统老化等问题，会发生链条在驱动链轮处跳齿的问题，链条和驱动链轮的相对位置发生变化，造成事故，这种类型的链条跳齿故障会造成链斗后部钢板变形，严重时会损坏整个设备，导致不得不更换，极大地影响了生产作业进度，造成不必要的经济损失，故现目前在这类输送机中防链条脱出的监控装置，能有效地监控链条与驱动链轮之间的工作状况，在发生问题时，能及时报警发出停机信号，且需安全可靠，抗干扰能力强。
又如，在皮带输送机和滚筒输送机中，在线监测系统可对整个设备均进行实时监测，从而达到安全控制的目的，但这种在线监测系统较为复杂，其成本较高。
在针对轴承的监测方面，目前现有技术中多是将待测轴承装在专门的轴承检测装置上，进行抗疲劳、损坏等故障诊断。这种技术目前发展的已经较为成熟，常见的有，将高铁车轮用的轴承拆卸下来或在该轴承组装至车轮轴上之前，将该轴承或车轮轴安装在专门的轴承检测装置上，然后通过该专门的轴承监测装置对待测轴承进行检验，从而得到轴承的相关参数，进而判断轴承的工作情况。这种检测方法是目前常用的轴承检测方法，其特点是代替了传统的人工敲击检测方式，提高了检测的准确性，但这种方式仍然是基于理想状态下的静态测试方式来进行轴承检测的，而且通常需要将待测轴承进行拆卸，或者即便不进行轴承拆卸，也需要将整个轮对轴放置到检测设备上，因而检测方法较为繁复。
研究表明，输送装置作为机械装置的一种，目前已经在安全性检测方面取得了长足的进步，对于滚筒轴承的在线监测也取得了一些进展，但通过声音或振动信号来完成滚筒轴承在输送机外部的信号采集和检测从而结合滚筒轴承在线监测构成混合监测系统的方式在本领域中还未见涉及。
本发明旨在提出一种输送装置滚筒轴承混合检测/监测的系统，特别的是，本发明着重针对起驱动作用的轴承进行声音或振动信号的机器外部的采集和检测，从而保证整个装置的安全性。
发明内容
对现有技术存在的问题，本发明通的目的在于提供了一种输送机滚筒轴承混合监测系统，其包括内部监测和外部监测两部分。
本发明中的技术术语“机外”，顾名思义，指的是在输送机滚筒轴承的外部通过设置声音收录器来实现信号的采集，并进一步处理从而完成检测的。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种输送机滚筒轴承混合监测系统，包括输送机滚筒轴承在线监测部和输送机滚筒机外监测部，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括轴向位移监测部和径向位移监测部，输送机滚筒机外监测部包括声音收录器。
进一步地，所述输送机滚筒轴承在线监测部还包括电机、联轴器、左端支撑轴承、轴向位移传感器、轴向位移承载盘、径向位移传感器、右端支撑轴承、驱动链条、滚筒轴，电机通过联轴器带动滚筒轴转动，滚筒轴支撑在左端支撑轴承和右端支撑轴承之间，滚筒安装在滚筒轴上，并与左端支撑轴承和右端支撑轴承相配合，所述滚筒轴上还设置有轴向位移承载盘，其用来将所述滚筒轴受到的轴向力Fa传递至轴向位移传感器，所述滚筒内部还设置有径向位移传感器，用于检测滚筒轴受到的径向力；其中左端支撑轴承只提供径向支撑力，径向位移传感器的安装位置紧靠右端支撑轴承；所述输送机滚筒机外监测部还包括信号调节器、控制装置，所述声音收录器安装在输送机外部，信号调节器连接声音收录器，所述信号调节器连接数据采集设备，所述数据采集设备连接控制装置，其中声音信号由声音收录器采集，并通过信号调节器放大，由数据采集设备采集该信号传递至控制装置，由控制装置进行比对处理以得到输送机的相关运行状态。
进一步地，所述轴向位移监测部包括轴向位移传感器，所述径向位移监测部包括径向位移传感器，所述轴向位移传感器和所述径向位移传感器为电涡流传感器，所述控制装置为计算机。
进一步地，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括联轴器，所述联轴器通过减速机带动滚筒轴转动。
进一步地，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括左端支撑轴承和右端支撑轴承，所述左端轴承和右端支撑轴承采用单层滚珠轴承。
进一步地，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括左端支撑轴承和右端支撑轴承，所述左端轴承和右端支撑轴承采用双层滚珠轴承。
进一步地，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括左端支撑轴承和右端支撑轴承，所述左端轴承和右端支撑轴承一个采用单层滚珠轴承，一个采用双层滚珠轴承，两个轴承的内径及外径尺寸相同。
本发明还提供一种采用上述输送机滚筒轴承混合监测系统进行输送监测的方法，所述轴向位移监测部包括轴向位移传感器，所述径向位移监测部包括径向位移传感器，所述轴向位移传感器将测得的轴向位移信号发送给控制装置，当测得的轴向位移信号大于预先设定的预警数值时，控制装置发出报警信号，输送机启动制停模式，工作人员进行检修；
进一步地，所述轴向位移监测部包括轴向位移传感器，所述径向位移监测部包括径向位移传感器，当径向位移传感器测得的径向位移信号大于预先设定的预警数值时，控制装置发出报警信号，输送机启动制停模式，工作人员检修。
进一步地，当声音收录器采集到的信号数值大于控制装置存储的预警信号数值时，无论轴向位移传感器和径向位置传感器测得的位移是否大于预先设定的预警数值，所述控制装置发出报警信号，输送机启动制停模式，工作人员进行检修。
进一步地，所述轴向位移信号通过控制装置计算而转换为实际测量的轴向载荷，所述径向位移信号通过控制装置计算而转换为实际测量的径向载荷，当实际径向载荷Fr＝300N时，单、双层轴承随轴向载荷变化的轴向变形向量的相关系数分别为0.9904和0.9974，当实际径向载荷Fr＝300N时，单、双层轴承的径向变形向量的相关系数分别为0.9364和0.9864，当实际轴向载荷Fa＝300N时，单、双层轴承的径向变形向量的相关系数分别为0.9914和0.9970，当实际轴向载荷Fa＝300N时，单、双层轴承的轴向变形向量的相关系数分别为0.9854和0.9797。
进一步地，所述轴向位移传感器和所述径向位移传感器为电涡流传感器，其型号可选用CWY_DO_810504，其检测的线性范围：0.4mm-1.4mm，精度可达0.1um。在这个区间内，传感器可以看成线性的，此时位移与输出电压成正比关系，其比值即传感器比例系数。
本发明的有益效果是：
通过混合监测，使得输送机不仅仅依靠单一的在线监测系统来监测，而是同时通过外部监测系统进一步比较判断，从而提高运行的安全性，在机器外部采集声音检测信号进行比对分析，降低了测量难度可以方便安全的得到输送机的运行状态，从而保证机器和操作人员的安全性。
附图说明
图1是本发明的输送机滚筒轴承混合监测系统整体结构示意图。
图2是本发明的输送机滚筒轴承在不同轴向载荷下的轴向变形曲线图。
图3是本发明的输送机滚筒轴承在不同轴向载荷下的径向变形曲线图。
图4是本发明的输送机滚筒轴承在不同径向载荷下的径向变形曲线图。
图5是本发明的输送机滚筒轴承在不同径向载荷下的轴向变形曲线图。
图6是本发明在试验中所得到的输送机滚筒轴承声信号小波分解图。
图中，1.电机 2.联轴器 3.左端支撑轴承 4.轴向位移传感器 5.轴向位移承载盘6.径向位移传感器 7.右端支撑轴承 8.滚筒轴 9.声音收录器 10.信号调节器
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做出简要说明。
具体实施例一：
一种输送机滚筒轴承混合监测系统，包括电机1、联轴器2、左端支撑轴承3、轴向位移传感器4、轴向位移承载盘5、径向位移传感器6、声音收录器9、信号调节器10、计算机、右端支撑轴承7、驱动链条、滚筒轴8，电机1通过联轴器2带动滚筒轴8转动，滚筒轴8支撑在左端支撑轴承3和右端支撑轴承7之间，滚筒安装在滚筒轴8上，并与左端支撑轴承3和右端支撑轴承7相配合，所述滚筒轴8上还设置有轴向位移承载盘5，其用来将所述滚筒轴8受到的轴向力Fa传递至轴向位移传感器4，所述滚筒内部还设置有径向位移传感器6，用于检测滚筒轴8受到的径向力；其中径向位移传感器6的安装位置紧靠右端支撑轴承7，声音收录器9安装在输送机外部，并通过信号调节器10放大信号，由数据采集设备采集该信号传递至计算机，由计算机进行比对处理以得到输送机的相关运行状态。
进一步地，所述轴向位移传感器4和所述径向位移传感器6为电涡流传感器，其型号可选用CWY_DO_810504，其检测的线性范围：0.4mm-1.4mm，精度可达0.1um。在这个区间内，传感器可以看成线性的，此时位移与输出电压成正比关系，其比值即传感器比例系数。
在实际工作中，滚筒由于要承载输送物品，因而受力工况较为复杂，但根据理论力学和材料力学的知识，可以将该复杂受力工况分解为轴向力和径向力，下面就对其做简要介绍。
由于左端支撑轴承只提供径向支撑力，不提供沿加载方向的轴向力，因此作用于右端支撑轴承上的轴向载荷就滚筒轴受到的轴向力，在生产过程中可选用电涡流传感器作为位移传感器来使用，径向位移传感器的安装位置紧靠待测轴承(本发明中待测轴承为右侧支撑轴承，当然根据实际工况也可选择左侧支撑轴承，这种情况下，右侧支撑轴承只提供径向支撑力)，通过检测靠近待测轴承端的滚筒轴的径向位移来近似作为待测轴承的径向变形量，且径向位移传感器选用差动安装方法来消除装配误差对测量结果的影响，轴向位移传感器通过检测轴向位移承载盘轴向端面的位移来确定待测轴承的轴向变形。径向和轴向传感器的灵敏度为35mv/um，线性范围为0.4-1.0mm，线性度为1.2％。为了消除轴向位移承载盘圆度和旋转时不平衡力等对测量结果的影响，通过美国NI公司的数据采集卡并编制相应的采集软件采集位移传感器的输出信号，然后通过对采集到的数字信号进行滤波处理并计算输出信号的均值来确定加载后的轴承变形，关于此处数字信号采集及处理的过程，这是本领域的普通技术知识(且由于位移信号处理较之声音信号简单很多，故此处做过多阐述)本领域技术人员完全可以明了，如清华大学出版社出版，胡广书主编的《数字信号处理导轮》中有明确的阐述，本发明中不做过多赘述。
需要指出的是，在本发明的附图1中，左侧支撑轴承为单层滚珠轴承，右侧支撑轴承为双层滚珠轴承，因而在附图中显示的比例并不一致，但本领域技术人员可以明了，这代表了本发明的两种具体实施方式，即采用同一尺寸轴承作为左右支撑轴承即可实现滚筒轴上滚筒的安装。而对于双层轴承，这种轴承由内、外两层轴承组成，拥有内、外两层滚珠，支撑两层滚珠的套圈分别定义为内圈、中圈和外圈，其中内层轴承的外环和外层轴承的内环通过转接环连接到一起，共同形成中圈。使用时外圈安装在轴承座中，内圈与转子配合，这种轴承本领域所公知的双层滚珠轴承。
本发明中的监测系统还包括控制装置，轴向位移传感器将测得的轴向位移信号发送给控制装置，当测得的轴向位移大于预先设定的预警数值时，控制装置发出报警信号，输送机启动制停模式，工作人员进行检修；
当径向位移传感器测得的径向位移信号大于预先设定的预警数值时，控制装置发出报警信号，输送机启动制停模式，工作人员检修。
在实际操作过程中，轴向位移信号和径向位移信号皆可利用电子电路及力学中的普通技术知识转换成相应的轴向力和径向力，与预定设好的力学数值进行比较从而也可得到相应的控制模式。
在本发明中，由于轴承安装在轴承支承座中，在本领域中通常可以直接利用位移传感器来检测靠近轴承的径向位移量，但轴向位移较难测量，本发明将待测轴承的轴向位移转换到对轴向位移承载盘的轴向位移的测量上，从而大大简化了测量的难度，并且获得了较好的检测一致性。对于轴承变形的理论计算，其遵循《材料力学》和《机械设计》中的轴承静力学模型计算方法，而这对于本领域技术人员来说是公知的技术知识，本专利中着重对理论计算的的数值和实际测得的数值进行比较。
如图2给出了当径向载荷Fr＝300N时，轴向载荷对轴承的轴向变形的影响结果，对比理论和试验结果，图2中单、双层轴承随轴向载荷变化的轴向变形向量的相关系数分别为0.9904和0.9974，理论结果相对于试验结果的最大误差分别为14％和5％；图3给出了当径向载荷Fr＝300N时，轴向载荷对轴承的径向变形的影响结果，对比理论和试验结果，单、双层轴承的径向变形向量的相关系数分别为0.9364和0.9864，最大误差分别为13％和10％；图4给出了当轴向载荷Fa＝300N时，径向载荷对轴承的径向变形的影响结果，对比理论和试验结果，单、双层轴承的径向变形向量的相关系数分别为0.9914和0.9970，最大误差分别为18％和24％；图5给出了当轴向载荷Fa＝300N时，径向载荷对轴承的轴向变形的影响结果，对比理论和试验结果，单双层轴承的轴向变形向量的相关系数分别为0.9854和0.9797，最大误差分别为14％和12％。图2-5中运用相关系数和最大相对误差对理论和试验所得的各数据向量进行分析，相关系数越接近于“1”、最大相对误差越小说明理论和试验结果的吻合程度越高。从对比结果可以看出试验结果与理论计算结果略有不同，但反应变化趋势的相关系数均非常接近于“1”，说明理论计算结果和试验结果随不同参数的变化趋势具有高度的一致性。因此，采用本专利的监测系统和监测方法可以获得较好的监测效果。
其中相关系数是统计学中处理数据时采用的常用标准术语，本发明中采用于此技术术语及统计学中的回归数学模型来对试验数据和测量数据进行处理，这是数学领域中早已公知的知识，故不再多做赘述。
具体实施例二：
与实施例一的硬件布置基本相同，在本实施例中控制单元替换为具有复杂计算能力和高硬、软件配置的计算机，实施例一中主要是在轴向位移传感器和径向位移传感器测得的信号基础上进行在线监测，此时轴承的声音信号并不进行采集，实施例一用在输送机安全条件并不十分苛刻的场合，如室内厂房小剂量的物料输送；对于大型物料的输送，如重量较大的矿石、煤粉等，由于输送机的工作条件恶劣，仅靠在线监测系统并不能完全保证生产安全，此时将采集到的声音信号进行比对处理后，加入到输送机的运行状态判别上来，具体过程如下：
声音收录器为丹麦B&K公司的1/4预极化压力场传声器4944-A，灵敏度为0.9mV/Pa，频率范围为16-70000Hz，动态范围为48dB-169dB，温度范围为-20至+100℃。信号调节器为江苏联能电子技术有限公司的IEPEYE3820，灵敏度为1-1000可调，精度≤±0.5％，噪声≤20uVrms，输出±10V/5mA，工作温度0-40℃，具有宽频响、高精度、低噪声、稳定性好，增益、激励电压/电流、高低通多档可调等优点。信号采集卡为美国NI公司的8通道动态信号采集模块，型号为PXI-4472，采样率最高可达102.4kS/s，分辨率为24位，110dB动态范围，±10V的电压范围，45kHz无混叠带宽。采集箱为美国NI公司的5槽PXI机箱，型号为PXI-1033。采用400W通用交流电源，具有MXI-Express远程控制的110MB/s持续处理能力，带有可供5个外设模块使用的插槽，噪声排放仅为38dBA。该滚筒轴承声信号采集的数据采集程序采用美国NI公司的Sound and Vibration Measurement Suite软件，其可同时进行多通道信号采集，可设置采样频率、采样时长或连续采集功能，同时也可设置触发方式、测量范围实现不同采集需求。采集后的信号数据可保存为TXT格式，其中第一列保存的是时间数据，第二列为信号数据，可以十分方便地导入Matlab软件进行信号分析处理。
在声音信号的处理中，采用小波分析方法，小波分析是一种典型的多尺度方法，由于其具备可靠、易用等特性，在众多研究领域都得到了广泛的重视，并发挥着非常重要的作用。小波分析主要应用在信号分析、信号压缩传输以及工程技术等方面。在信号分析领域，滤波处理、时频分析、分形处理以及微弱信号提取等都可以通过小波变换高效地实现。在对信号进行压缩传输方面，小波变换则具有快速、抗干扰、高压缩比等特点。而在工程技术领域，如生物医学、计算机视觉、图像处理、空间宇宙研究、瑞流等，小波变换也有着出色地表现。由于小波分析在信号处理领域有着独特的优势，因此其在机械设备状态监测与故障诊断领域也有着广泛的应用，而这些是本领域技术人员能够明了的，此处不再做过多阐述。
当声音收录器采集到的信号数值大于计算机存储的预警信号数值时，无论轴向位移传感器和径向位置传感器测得的位移是否大于预先设定的预警数值，计算机发出报警信号，输送机启动制停模式，工作人员进行检修。
实际工作中，首先对采集到的滚筒轴承声信号进行离散小波分解，在选择小波及分解层数时，更多的是依靠经验及试验来决定。本发明中采用1988年Daubechie提出并发展了的具有紧支集的正交小波基的小波分析系统理论来对信号进行离散小波分解，因为信号低频部分容易受到噪声干扰，初步选择的是分解为6层。实际工作中测得并分解一组结果数据如图6所示。接着便是选择频率拐点。由于采样频率已知，则可以计算出各层细节信号所对应的频带的理论值，将测得的信号数值与该理论值比较即可进行输送机运行状态的判别。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.一种输送机滚筒轴承混合监测系统，包括输送机滚筒轴承在线监测部和输送机滚筒机外监测部，其特征在于，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括轴向位移监测部和径向位移监测部，所述输送机滚筒机外监测部包括声音收录器。
2.如权利要求1所述的输送机滚筒轴承混合监测系统，其特征在于，所述轴向位移监测部包括轴向位移传感器，所述径向位移监测部包括径向位移传感器，所述轴向位移传感器和所述径向位移传感器为电涡流传感器。
3.如权利要求1所述的输送机滚筒轴承混合监测系统，其特征在于，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括联轴器，所述联轴器通过减速机带动滚筒轴转动。
4.如权利要求1所述的输送机滚筒轴承混合监测系统，其特征在于，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括左端支撑轴承和右端支撑轴承，所述左端轴承和右端支撑轴承采用单层滚珠轴承。
5.如权利要求1所述的输送机滚筒轴承混合监测系统，其特征在于，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括左端支撑轴承和右端支撑轴承，所述左端轴承和右端支撑轴承采用双层滚珠轴承。
6.如权利要求1所述的输送机滚筒轴承混合监测系统，其特征在于，所述输送机滚筒轴承在线监测部包括左端支撑轴承和右端支撑轴承，所述左端轴承和右端支撑轴承一个采用单层滚珠轴承，一个采用双层滚珠轴承，两个轴承的内径及外径尺寸相同。
7.采用如权利要求1所述的输送机滚筒轴承混合监测系统进行输送监测的方法，其特征在于，所述轴向位移监测部包括轴向位移传感器，所述径向位移监测部包括径向位移传感器，所述轴向位移传感器将测得的轴向位移信号发送给控制装置，当测得的轴向位移信号大于预先设定的预警数值时，控制装置发出报警信号，输送机启动制停模式，工作人员进行检修。
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