重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统研究.pdf

第51卷第2 期2023年4月文章编号：10 0 1-357 1（2 0 2 3）0 2-0 0 9 1-0 8重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统研究刘金龙2（1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山0 6 30 12；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北唐山0 6 30 12）摘要：为满足重介质旋流器智能化升级与使用寿命进一步提升的需求，以重介质旋流器运行方式与损伤机理为切入点，对重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统进行了初步设计，提出了该动态监测与诊断系统的概念和构建方法，并对各种损伤状况下振动信号的特点进行了研究，以期实现实时监测旋流器设备整体运行状况，并能够在损伤征兆出现的第一时间进行报警反馈，从而大大降低设备损伤带来的经济损失与日常维护成本。重介质旋流器动态监测诊断系统是旋流器智能化升级的重要组成部分，对未来智能化选煤厂设备监测与反馈环节的建设具有重要参考意义。关键词：重介质选煤；动态监测与诊断系统；重介质旋流器损伤；振动信号；使用寿命中图分类号：TD942Study of the heavy medium cyclone damage dynamic monitoring2.Hebei Province Coal Preparation Engineering&Technology Research Center,Tangshan 063012,China)Abstract:In order to enhance the intelligent level and further extend the service life of heavy medium cy-clone,a cyclone damage dynamic monitoring and diagnosis system is preliminarily designed and the con-ception of the system and its structural design method are proposed,based on analysis of the operatingmode of the cyclone and the mechanisms of its different types of damage.The characteristics of the vibra-tion signal under different damage conditions are investigated,so as to make it possible to realize realizereal-time monitoring of cyclones overall running status,promptly send feedback at the time when alarmof any sign of damage is issued,and greatly reduce economic loss and routine maintenance expenses in-curred by damage of cyclone.The dynamic monitoring and diagnosis system plays an important part in in-telligent upgrading of heavy medium cyclone.The study made in the paper may provide a valuable refer-ence for the development of the equipment monitoring and signal feedback systems in intelligent coalpreparation plant int the future.Keywords:heavy medium separation of coal;dynamic monitoring and diagnosis system;damage of H.M.cyclone;vibration signal;service life煤炭洗选行业发展过程中要加强煤炭的清洁高效利用。重介质旋流器因其分选精度高、分选下限低、处理量大、人料粒度范围宽、适用范围广等特收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 77责任编辑：李志斌ID0I:10.16447/ki.cpt.2023.02.017作者简介：刘金龙（19 8 8 一），男，河北唐山人，工程师，从事重介质旋流器技术的研究与开发工作。Ema i l：c n c 8 432 12 6.c o m，T e l：03155819966。引用格式：刘金龙，重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统研究J】选煤技术，2 0 2 3，51（2）：9 1-9 8.LIU Jinlong,Study of the heavy medium cyclone damage dynamic monitoring and diagnosis system JJ.Coal Preparation Technology,2023,51(2):91 98.91选煤技术COAL PREPARATIONTECHNOLOGY文献标志码：Aand diagnosis systemLIU Jinlong-2(1.CCTEG Tangshan Research Institute,Tangshan 063012,China;点，在煤炭分选中占据重要地位。因结构与运行方式较特殊，重介质旋流器损伤往往具有突发性、隐蔽性，一旦发生会给用户带来极大经济损失。自Vol.51No.2Apr.2023第51卷第2 期2020年2 月国家八部委联合发布关于加快煤矿智能化发展的指导意见以来，我国大力开展煤矿的智能化建设。加快推进智能化选煤厂建设是推动煤炭工业高质量发展的重要环节。重介质旋流器作为重介质选煤厂核心分选设备之一，其智能化升级也是业内重要课题。为促进重介质旋流器单机设备智能化升级，文章对重介质旋流器动态监测与诊断系统进行了研究分析，并对其应用前景进行了展望。入料口精煤底流口（a）圆锥形重介质旋流器图1两种重介质旋流器结构示意图Fig.1 Structural sketch of two different types of H.M.cyclone重介质旋流器的工作原理是：待分选物料和重介质混合后由泵从旋流器人口沿切线方向给人旋流器筒体内部，流体在旋流器内形成两股旋转流，其中一股是沿重介质旋流器内壁做螺旋运动的外旋流，另一股是围绕旋流器中心轴线附近反向运动的内旋流，并在轴心部分因负压而吸人空气形成空气柱；物料颗粒在离心力与浮力的共同作用下，大粒径或高密度的颗粒做离心运动到器壁附近，随外旋流由重产物出口排出；小粒径或低密度的颗粒做向心运动，随内旋流反向运动至轻产物出口排出。如此不断，不同密度或不同粒径的物料便得到了分选1-3。O重介质旋流器双螺旋结构模型如图2 所示。溢流入料选煤技术1重介质旋流器概述重介质旋流器是利用离心力场使矿粒物料在介质中依浮力不同进行分选的设备，具有结构简单、无运动部件、分选效率高、处理量大等特点，因此在选矿领域获得广泛应用。根据结构不同，重介质旋流器可分为圆锥型、圆筒圆锥串联型等。具有代表性的两种重介质旋流器结构如图1所示。溢流口原煤（含少许重悬浮液）柱段悬浮液锥段（b）圆筒-圆锥串联形重介质旋流器重介质旋流器损伤分为磨蚀性损伤与非正常损伤两种。其中非正常损伤又可细分为破坏性损伤、破坏性损毁、突然性损伤三类。磨蚀性损伤即在正常使用状态下，物料对重介质旋流器内表面耐磨层的磨削与侵蚀所造成的破坏（图3）。磨蚀性损伤的特点是损伤过程较长，短时间内不易察觉，但随着使用时间的延长，损伤越来越明显，局部损坏速度也越来越快。磨蚀性损伤是一种设备的正常性损伤，只要存在接触摩擦，就会产生。产品从初始运转至磨蚀性损坏的周期即可认为是产品寿命周期。内螺旋流外螺旋流2023年4月2 5日口一研石中煤底流图2 重介质旋流器双螺旋结构模型Fig.2Model of the double-spiral structured H.M.cyclone2重介质旋流器损伤和监测现状2.1重介质旋流器的损伤形式及原因92图3磨蚀损伤后的耐磨层表面Fig.3View of the damage of the wearing surfacecaused by rubbing-abrading action非正常损伤是指在正常运转状态下，在外部因素作用下所产生的对旋流器部件的突然性、快速性、毁伤性破坏（图4）。其特点是突然发生无预第51卷第2 期警，对零部件损伤严重，后续连带性损伤较大，常见于内部突然进入大块极重物料（如铁器、石块等）对旋流器内表面冲击造成的耐磨层碎裂脱落，或受外力猛烈撞击或高温烘烤导致的耐磨层崩裂脱落【4-6 OFig.4View of the wearing layer after disruptive damage2.2童重介质旋流器损伤监测现状重介质旋流器损伤监测技术是通过对旋流器在运行中或者静态条件下状态信息进行测量，结合历史状态信息，来定量识别旋流器部件的实时状态，并预知有关异常从而确定应对方案的技术。采用特定的方法和检测系统采集最能反映诊断对象状态特征的信号，是实施损伤监测必不可少的环节。真实地采集到足够数量反映诊断对象状况的状态信号，是损伤监测技术成功与否的关键。目前，对重介质旋流器磨蚀性损伤没有实现量化监测，基本依靠周期性的例行检修来跟踪或凭现场经验判断磨损情况，这种方法不仅耗费人力且容易出现判断失误，从而造成设备严重损坏。破坏性损伤除在源头进行预防外，也无法进行监测，且常因发现不及时而发生严重的连带性损伤，导致零部件报废，造成严重经济损失。为及时发现破坏性损伤，选煤厂不得不经常拆卸设备进行观察，导致生产负担加重。3重介质旋流器损伤监测3.1拉损伤监测技术的理论基础机械运转就会产生振动，振动信号中包含了各种丰富的信息。任何机械的工作状态发生变化必然会在振动信号中有所反映。振动频率和振幅是设备的一种固有属性，是衡量机械设备运转状况的特征量。正常运转的机械设备的振动频率和幅度均在一个特有的范围内波动，若机械发生故障，其固有的振动频率与幅度均会发生明显变化，因此，对设备振动情况的收集与判断，成为故障检测的一种重要刘金龙：重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统研究图4破坏性损毁后的耐磨层设备多种信号采集信号处理状态模式识别建立诊断数据库运行数据库图5动态监测诊断系统架构Fig.5Framework of the dynamic monitoringand diagnosis system当动态监测诊断系统设计为开环系统时，从异常信号监测，异常状态预警到系统向使用者做出提示，并由使用者决定是否进行设备停机检修；当动态监测诊断系统设计为闭环系统时，可以通过对采集信号进行综合分析，判断设备运行状况以及是否932023年4月2 5日手段。利用振动信号对故障进行诊断，首先应从所采集的振动信号中提取有用的特征信号进行特征分析，通过将实时振动信号与某一标准振动信号进行比对，进而对设备情况做出判断7-9 。3.2重介质旋流器的运行特点与其他带运动部件的设备相比，重介质旋流器本身无运动部件，依靠内部流体进行工作，自身振动主要来自于内部流体裹挟着的物料对器壁的撞击与摩擦；因重介质旋流器内的过流物料量与物料粒度大小变化范围较大，会对振动产生较大影响，与其他恒态运转下的设备相比，重介质旋流器的振动状况多样且复杂。在正常运行状况下，大量物料沿重介质旋流器的光滑内壁运动，发生比较规律的碰撞，会产生一种近似稳定的振动。当旋流器内壁损伤后，由于表面不再平滑连续，故物料运行至此处必会与破损部位发生撞击，在大量物料的连续冲击作用下，此处就会产生特有的振动现象，因此鉴于旋流器运行的特殊性，采用振动信号来监测损伤较为适合。4动态监测诊断系统4.1系统架构动态监测诊断主要包括获取设备状态信号、提取损伤特征、预警及诊断、形成维修决策等步骤。动态监测诊断系统架构如图5所示。损伤信号采集立信号处理状态模式识别诊断、预警维修决策第51卷第2 期需要进行维护与调整，并向使用者做出提示。动态监测诊断系统还可以通过对数据的持续分析来判断设备剩余使用寿命，实时监测设备状态，将各损伤事件向使用者报警并通过反馈控制系统及时控制设备的停机，从而避免事态的进一步扩大。4.2振动传感器的原理与信号的获取动态监测诊断系统的核心元件为振动传感器，通过分析某部位振动传感器收集的信号来具体判断其运行状态。振动传感器分为接触式和非接触式两类，非接触式振动传感器通常为电容或涡电流传感器，其不需要与被测物体直接接触，而是通过布置在设备表面的感应器与接收器间的距离变化在感应器中产生电容或电流的变化进而产生信号，非接触式传感器示意图如图6 所示。接触式振动传感器又分为相对式振动传感器与绝对式振动传感器两种，二者均属于机械式传感器。相对式振动传感器壳体一端固定在不动的基座上，而探杆则与被测物体相连，其测量的是被测件相对于基座的运动。相对式振动传感器示意图如图7 所示。绝对式振动传感器外壳直接与被测物体相连，通过内部阻尼滑块的运动来测量振动。绝对式振动传感器示意图如图8 所示。4.3振动信号的分析与处理所采集的振动信号包含与所研究的对象存在直接或间接关系有用信息，同时又含有大量与研究对象无关的干扰信息，这些干扰信息也称为噪声。对采集的振动信号进行分析处理是为了最大程度地抑动态信号选煤技术制或消除噪声干扰，提取有用信息，提高信噪比。将采集的振动信号按照特性分类，如图9 所示。固定接收器位移被测设备应变化1元件信号传输图6 非接触式振动传感器示意图Fig.6Diagram of the non-contacting type vibration sensor位移变化固定传感器探杆被测设备信号传输图7 相对式振动传感器示意图Fig.7Diagram of the relative vibration sensor失量测量组件质量块被测设备图8 绝对式振动传感器示意图Fig.8Diagram of the absolute vibration sensor2023年4月2 5日准确性信号随机信号周期信号非周期信号平稳信号非平稳信号简谐信号复杂周期信号准周期信号瞬态信号各态历经信号非各态历经信号调制型非平稳信号图9 采集的振动信号分类Fig.9Classification of collected vibration signals振动信号中描述系统的状态变量如果可以用确定的时间函数表述，则称之为确定性信号，反之称为随机信号。确定性信号中又分为周期信号与非周期信号，周期信号包含简谐信号和复杂周期信号；非周期信号又分为准周期信号和瞬态信号。各种确定性信号如图10 一图13所示。94般非平稳信号0图10 简谐信号Fig.10The simple harmonic signal第51卷第2 期图11复杂周期信号Fig.11The complex periodic signal图12 准周期信号Fig.12The quasi-periodic signal图13瞬态信号Fig.13The transient signal对于重介质旋流器来说，因分选流场中的物料粒度、密度等都是不均匀分布的，故产生的振动信号是连续的但没有固定的周期性可言，属于非周期信号中的准周期信号。振动信号经过滤波和调制、解调后，改善了信噪比。振动信号的处理方法有时域分析法和频域分析法，通过对信号的时域分析，可以得到幅值随时间的变化特征；对信号进行频域分析，则可得到信号频率结构、各频率幅值和相位的大小关系。采用时域分析方法时，时间是横坐标，振幅是纵坐标；频域分析方法时，则是频率是横坐标，振幅是纵坐标。4.4模式识别机制在故障诊断中，机械设备的不同状态即为不同的模式，故设备状态检测与故障诊断是典型的模式识别系统的设计和实现过程，又可以称之为训练过程或学习过程。模式识别的本质就是通过对机械外部征兆的监测来取得特征参数的正确信息，进而进行分析和识别7-9 4.5诊断数据库的建立随着监测数据的逐渐积累，大量的设备运行状态信息会不断地被记录分析，将采集到的所有损伤类型的数据进行分类汇总，并对相应损伤类型的特征信息进行标识，即形成对机械设备损坏诊断数据库。数据库中应包含设备损坏状态下所有信息的特征，同时应具有高度可识别性与比较性。诊断数据刘金龙：重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统研究4.6运行数据库的建立设备运行数据库是基于诊断数据库建立，在包含整个诊断数据库内容的同时还包含设备正常运转状态下以及设备正常损耗状态下所有的特征信息。运行数据库是对设备运行状态的全程监控、损伤预警、异常报警、故障诊断、信息反馈等必不可少的数据基础。其建立的意义在于对设备全状态的信息识别监测，使监测系统由单纯地对损伤进行监测与报警，上升至对设备运行的全程监控，同时进行设备运行评价、故障诊断、维修决策、损伤原因分析等更进一步的辅助。在闭环控制系统中，则可实现设备自我控制，智能应对异常状况。4.7动态监测与诊断设备开始运行后，各探区传感器阵列开始传回t振动数据，通过整个系统硬件处理与软件分析后，将所测信号转化为可供分析的时域或频域波形，并结合运行数据库进行分析与识别，对设备整体运行状态进行有效监测，同时对损伤做出及时预警与报警。系统会依据诊断数据库中的特征数据进行故障识别，做出对故障类型的诊断，为设备维修使用提供指导。5重介质旋流器损伤动态监测诊断的实施5.1传感器布设振动传感器应布设在旋流器易损部位及其附近，在易损区域内将单个或数个传感器按照一定方式排列布置，称之为单点布设。以易损部位为中心，数组传感器向外呈区域阵列布设，对易损部位及其周边进行全方位覆盖，形成易损区域监测，称为区域布设，布设范围称之为一个探测区域。振动传感器布设方式如图14所示，两产品重介质旋流器易损区示意图如图15所示。由于损坏是随机的，当某易损点被损坏后，无论是否处在某个传感器的检测范围内，其产生的连续性异常振动均会被监测区域内多个传感器检测到，故相对于单点布设来说，区域布设的优点是提高了探测区信号的识别能力，进而增强了系统的检测灵敏度，同时能够根据不同传感器采集到的信号强度准确判断具体损坏位置。5.2童重介质旋流器运行监测与预警5.2.11正常运转正常运转时，重介质旋流器的振动波形较复杂，但其振动的时域波形在一定振幅内具有近似固952023年4月2 5日库是设备故障监测与报警的信息基础。损伤后损伤时正常态第51卷第2 期定周期的特征，同时振动的频域幅值谱也比较均匀平稳，如图16 和图17 所示。此时整个探区内所有传感器信号波形类似，说明此时设备内部流场均匀，物料运行稳定，系统则会持续进行监测。易损区域口传感器口口口单点布设图14振动传感器布设方式示意图Fig.14Layout of the vibration sensors选煤技术信号，随着后续物料的撞击，碎裂处逐渐剥落，创面逐渐增大，物料对此处撞击逐渐增大，振动信号波幅也逐渐增大，频域幅值谱各频率波的幅值均相应增大。破坏性损伤时域波形和频域波形图分别如图18、图19 所示。系统可根据数据库分析，在破探测区域坏性损伤发生后依据振动信号的变化做出预警，避易损口区域口口口口口口口口口口口口口口区域布设2023年4月2 5日免损伤进一步扩大。A图18 石破坏性损伤时域波形图Fig.18The time-domain waveform at the occurrenceof destructive damage0fof destructive damage斜线范围内为易损区图15两产品重介质旋流器易损区示意图Fig.15The damage-prone locations ofa 2-product H.M.cycloneAA图16 正常运转时域波形示意图Fig.16The steady-state time-domain waveformAA0图17 正常运转频域波形示意图Fig.17The steady-state frequency-domain waveform5.2.2破坏性损伤当重介质旋流器内衬结构因重击被破坏造成部分碎裂（此时尚未损毁，旋流器还能正常工作）时，碎裂点附近传感器均能接收到明显大振幅脉冲96图19 石破坏性损伤频域波形示意图Fig.19The frequency-domain waveform at the occurrence5.2.3磨蚀性损伤磨蚀造成内壁出现损伤是一个缓慢均匀的变化过程，探测信号从时域和频域上来说短时间内不会有明显变化，直到此处磨损破坏，才会出现明显异常信号。磨蚀性损伤破坏的时域波形图和频域波形图分别如图2 0、图2 1所示。A4图2 0 房磨蚀性损伤时域波型图Fig.20The time-domain waveform at the occurrenceof damage caused by rubbing-abrasive action严重损伤后A轻微损伤时正常态0图2 1磨蚀性损伤频域波形图Fig.21The frequency-domain waveform at the occurrenceof damage caused by rubbing-abrasive action第51卷第2 期从图2 1可知：一些低频率的振动幅值会比高频率的振动变化明显一些。将这种缓慢变化的信号与运行数据库中全寿命运行数据进行全程比对，能够准确地判断和识别重介质旋流器内部重点部位的磨蚀程度，对旋流器损伤监测和预警有重要意义。5.2.4破坏性损毁重介质旋流器耐磨层被完全击碎并造成大面积脱落为破坏性损毁。破坏性损毁可看成是更加严重的破坏性损伤，此时旋流器已无法正常工作。由于创伤较大，反映到监测信号上特征非常明显，即损毁处的时域图振幅显著增加（图2 2），同时频域图幅值也明显上升（图2 3），但其中一个明显的特征是，在撞击的一瞬，低频率带会有一个幅值高峰出现。通过与诊断数据库中进行特征比对，可认定为旋流器内发生破坏性损毁。A4图2 2 破坏性损毁时域波型示意图Fig.22The time-domain waveform at the occurrenceof destructive failure of cycloneA0图2 3破坏性损毁频域波形示意图Fig.23The frequency-domain waveform at the occurrenceof destructive failure of cyclone5.2.5突然性损伤还有一种常见的损坏即是旋流器受到某些外部因素的作用导致的内壁耐磨层突然脱落，此种损坏属突然性损伤。不同于破坏性损伤和损毁，此种破坏其监测信号在耐磨层脱落前是正常状态，耐磨层脱落后破损处突然开始有明显的振幅变化，如图24和图2 5所示。此类信号在分析图谱上的特点是，在破坏发生时没有剧烈振动，但其振动幅值会有一个突变特征，结合诊断数据库中特征比对，即可判断损坏类型为耐磨层脱落损坏。各类损伤的波形特点见表1。由于各振动状态示意是基于日常生产经验与部分实验室模拟试验得出，在实际应用状态下情况会更为复杂，数据的采集与处理难度也会更大10-17 。O刘金龙：重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统研究损伤后正常态2023年4月2 5日A图2 4突然性损伤时域波型示意图Fig.24The time-domain waveform at the suddenoccurrence of damageA40图2 5突然性损伤频域波型示意图Fig.25The frequency-domain at the suddenoccurrence of damage表1损伤类型及特征比较Table 1Types of damage and comparison ofcharacteristics of waveforms损伤类型时域波形特点磨蚀性损伤振幅随时间逐渐变大低频波振幅较高频波明显破坏性损伤振幅在破坏点出现尖峰各频段振幅短时间无变化破坏性损毁振幅在破坏点出现尖峰突然性损伤振幅突然出现变化6重介质旋流器动态监测诊断系统的重点与难点重介质旋流器动态监测诊断系统的技术重点在于系统的架构，如信号收集和处理系统的软硬件设计，诊断库和运行库的建立，监测、诊断、反馈系统等的设计。目前监测诊断系统尚处在理论阶段，各种环节的有效衔接也是研究的一个关键。监测诊断系统要在复杂工况环境下克服各种不利影响因素来做出精准判断，一个丰富而完善的信息库是必需的，需要进行大量实验室试验与现场工业化试验，并且要在不断地实践中逐步修改完善，因此诊断库与运行库的建立既是系统构建的重点也是难点。7结语重介质旋流器的工作状态直接决定着选煤厂的正常生产，重介质旋流器损伤动态监测与诊断系统的应用能够快速发现损坏并定位，以便及时进行针对性的维修，有效降低维护检修成本，提高经济效益。在矿山智能化的背景下，单机设备的智能化是必不可少的环节，重介质旋流器监测诊断系统作为97损伤后正常态频域波形特点各频段振幅立刻变化各频段振幅立刻变化第51卷第2 期单机智能化系统的组成部分，未来可与智能控制系统集成，为智能选煤厂的建设打下基础。参考文献：1 谢广元，张明旭，边炳鑫，等选矿学【M】徐州：中国矿业大学出版社，2 0 12.2彭荣任，何青松，杨喆重介质旋流器选煤理论与实践【M：北京：冶金工业出版社，2 0 12.3吕秀丽，张力强高效两产品重介质旋流器的理论研究与应用【C中国煤炭学会选煤专业委员会2015年全国选煤学术交流会论文集，唐山：选煤技术编辑部，2 0 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