李貴文¹ ，蔣愛玲² ，羅云東¹

（1． 寶武裝備智能科技有限公司上海金藝檢測技術(shù)有限公司，上海 201999； 2． 上海賽源環(huán)境檢測技術(shù)有限公司，上海 200086）

摘要：柔性傳動裝置是燒結(jié)機最重要的動力驅(qū)動設(shè)備，一旦臺車卡阻、負(fù)荷增大，導(dǎo)致柔性傳動機構(gòu)出現(xiàn)故障，對于燒結(jié)生產(chǎn)將是災(zāi)難性的后果。 自主研制的燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)遠(yuǎn)程智 慧安全監(jiān)測與預(yù)警裝置，利用分布式扭矩在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過實施扭矩信號的遠(yuǎn)程智慧安全監(jiān)測與預(yù)警，Ｂ ／ Ｓ 架構(gòu)軟件系統(tǒng)、手機ＡＰＰ 等，實現(xiàn)了燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)力學(xué)行為遠(yuǎn)程感知、強度狀況智能評價、疲勞狀態(tài)智慧評估。 有效地解決了燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)負(fù)荷生產(chǎn)時無實時監(jiān)測和狀態(tài)反饋的設(shè)備痛點。 實現(xiàn)了燒結(jié)機在臺車卡阻、扭力桿疲勞斷裂等風(fēng)險狀態(tài)時的監(jiān)測與預(yù)警，實現(xiàn)了云端數(shù)據(jù)自動篩選和預(yù)警報警功能，為燒結(jié)生產(chǎn)安全保障提供了先進(jìn)的技術(shù)手段和有效的保護(hù)裝置，對于燒結(jié)設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能運維有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：柔性傳動； 遠(yuǎn)程； 智慧； 監(jiān)測與預(yù)警

1 概述

柔性傳動裝置是一種低速、傳動轉(zhuǎn)矩大、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的新型傳動裝置^［1］ 。 扭力桿在彈性模量范圍內(nèi)，承受扭力桿切線方向的力偶矩與沖擊力，使扭力桿成為一個受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的扭桿彈簧，反之扭力桿又產(chǎn)生反作用力，自動調(diào)整兩個小齒輪與大齒輪的嚙合狀態(tài)和負(fù)荷分配。 由于扭力桿受小齒輪的力偶矩，其自動調(diào)整兩個小齒輪與大齒輪的嚙合狀態(tài)和負(fù)荷分配。 它可以改善制造與安裝過程中誤差造成的嚙合不良問題，從而改善傳動性能^［1］ 。 燒結(jié)臺車一旦卡阻、負(fù)荷增大，導(dǎo)致柔性傳動機構(gòu)出現(xiàn)故障，對于燒結(jié)生產(chǎn)將是災(zāi)難性的后果。

柔性傳動裝置在生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)扭力桿斷裂、拉桿蝶形彈簧壓碎、拉壓桿關(guān)節(jié)球形軸承破損等設(shè)備事故^［2］ ，國內(nèi)燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)幾乎都沒有安裝保護(hù)裝置。 我們開發(fā)的燒結(jié)柔性傳動安全保護(hù)裝置實現(xiàn)了智能化的在線監(jiān)測和運維，每年可大幅降低人工巡檢及維護(hù)費用等。 鋼鐵行業(yè)內(nèi)寶鋼股份寶山基地?zé)掕F廠、韶關(guān)鋼鐵煉鐵廠均已安裝了我們自主研制開發(fā)的柔性傳動系統(tǒng)保護(hù)裝置，效果良好。 從設(shè)備最優(yōu)運行和無憂運行的角度，加裝燒結(jié)柔性傳動安全監(jiān)測與預(yù)警保護(hù)裝置，能及時有效預(yù)警燒結(jié)機卡阻故障，有效保護(hù)柔性傳動系統(tǒng)，減少因柔性傳動系統(tǒng)故障的停機次數(shù)，有效保障燒結(jié)系統(tǒng)的安全順行。 圖 1為某鋼鐵廠燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)示意圖。

2 關(guān)鍵技術(shù)

利用應(yīng)力應(yīng)變測試原理，針對現(xiàn)場情況采用特殊定制 ＳＨＴＣ4400柔性傳動系統(tǒng)安全監(jiān)測與預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)，在扭力桿安裝扭矩傳感器，扭矩信號經(jīng)電纜進(jìn)入數(shù)據(jù)采集箱，經(jīng)過測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后輸出扭矩信號，采集箱內(nèi)置信號調(diào)理電路，保證輸出的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 系統(tǒng)實現(xiàn)扭矩在線監(jiān)測及最大扭矩值的實時輸出、預(yù)警及報警。該信號的輸出可以實現(xiàn)遠(yuǎn)端進(jìn)行安全監(jiān)測與預(yù)警保護(hù)。

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是柔性傳動系統(tǒng)扭力桿扭矩監(jiān)測，主要由傳感器、監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)控中心等構(gòu)成，安裝了經(jīng)授權(quán)監(jiān)測客戶端的計算機，在任何地方可通過連接互聯(lián)網(wǎng)即可訪問數(shù)據(jù)中心，可完成遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理等多種操作。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存儲在本地服務(wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)測及分析平臺安置在設(shè)備方，并具備完整的遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷分析軟件平臺，詳見圖 2。

2.2 測點位置及監(jiān)測系統(tǒng)

經(jīng)過軟件平臺數(shù)學(xué)模型分析，扭力桿反映的扭矩經(jīng)過傳動機構(gòu)9.12倍的速比傳遞，與電動機電流反映的扭矩值有數(shù)值大小和方向上的一致性。 通過應(yīng)變檢測的原理來實現(xiàn)扭力的現(xiàn)場實時監(jiān)測，見圖3。

對傳動軸扭矩的測試采用應(yīng)變測試的原理進(jìn)行。 傳感器采用帶導(dǎo)線應(yīng)變計、進(jìn)口的扭矩測試專用應(yīng)變計，現(xiàn)場安裝，經(jīng)過組橋后，用1根六芯屏蔽導(dǎo)線進(jìn)行連接。 應(yīng)變計表面采用硅膠防潮保護(hù)，之后外部采用抱箍形式，抱箍容易拆裝，抱箍擬采用不銹鋼材料特殊定制，應(yīng)變計導(dǎo)線由抱箍預(yù)留的出口孔引出。

對傳動軸扭矩的測試采用應(yīng)變測試的方法進(jìn)行。 圓桿表面受扭后，表面上屬純剪切狀態(tài)。 在軸線的 ± 45°方向受拉壓應(yīng)力，且正應(yīng)力 σ45° 和最大剪應(yīng)力 τｍａｘ相同。

在軸線的 ± 45°方向粘貼應(yīng)變計，組成 Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ 電橋，采用應(yīng)變電測法做扭矩測試^［3］ 。 利用式（1）、（2）可計算傳動軸對應(yīng)的應(yīng)力值和扭矩：

式中：τ 為測點剪應(yīng)力，ＭＰａ；σ1為測點正應(yīng)力， ＭＰａ；Ｅ 為傳動軸材料的彈性模量，Ｅ ＝ 2.06 x10¹¹ Ｐａ；μ 為傳動軸材料的泊淞比，μ ＝ 0.30；ε1為測點的測試應(yīng)變值，με，1με ＝ 10^－6。

檢測元器件線性滿足設(shè)備保護(hù)要求，且具備定期標(biāo)定比對功能；采集箱采用16 位 Ｄ／ Ａ 轉(zhuǎn)換器，截止頻率通過高性能低通濾波器實現(xiàn)；現(xiàn)場的傳感器及數(shù)采機箱防護(hù)等級為 ＩＰ65；獨立的 1Ａ空氣開關(guān)，用于控制外接電源與儀器的連接；采集系統(tǒng)的采樣頻率不低于每通道 50 Ｈｚ；平衡清零和開機采樣均可通過采集箱儀器面板手動控制， 系統(tǒng)具備斷電自啟動恢復(fù)功能，系統(tǒng)參數(shù)可設(shè)置；歷史數(shù)據(jù)具備時間戳。

2.3 軟件功能

結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測軟件基于 Ｂ ／ Ｓ 構(gòu)架，數(shù)據(jù)庫采用 Ｍｙ ＳＱＬ 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集分析、圖形顯示、遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)管理于一體，界面簡潔美觀，操作方便，完整直觀地顯示結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測內(nèi)容。

軟件可以對結(jié)構(gòu)的營運狀況進(jìn)行 24ｈ 不間斷監(jiān)控，利用計算機的存儲空間記錄結(jié)構(gòu)的狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)事故前兆或意外事件時能夠及時報警，并為了解事故現(xiàn)象和分析事故原因及造成的結(jié)構(gòu)損傷提供可靠的數(shù)據(jù)支持。 圖 4 為軟件系統(tǒng)界面圖。

功能：箱內(nèi)系統(tǒng)硬件具有平衡清零、采樣共兩個硬件功能按鈕，每個扭矩工作循環(huán)輸出一個最大值，扭矩測試值的最大值、預(yù)警值及報警值的顯示，扭矩最大值的趨勢查詢和顯示，歷史數(shù)據(jù)可存儲、可查詢和調(diào)閱。 圖5為數(shù)據(jù)實時波形圖譜。

用戶可根據(jù)現(xiàn)場需要自行組態(tài)設(shè)計及更改登錄界面，進(jìn)行用戶功能設(shè)置、采樣功能設(shè)置、圖譜分析、傳感器的報警及管理，以及數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)工具、查看菜單、窗口菜單、視圖操作等系統(tǒng)的輔助功能。

安全預(yù)警報警：用戶可根據(jù)需要設(shè)置測點預(yù)警值和權(quán)重，通過公式或者算法直觀顯示報警信息及結(jié)構(gòu)健康指數(shù)，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到報警閥值，觸發(fā)前后的所有數(shù)據(jù)存儲至報警庫中。 具備手機ＡＰＰ、短信推送、郵件報警功能，將報警信息以短信或郵件的形式進(jìn)行發(fā)送。圖 6 為安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)手機 ＡＰＰ 截圖。

3 應(yīng)用及效果

2020年11月在某鋼廠燒結(jié)機安裝了1套燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)保護(hù)裝置，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程智慧安全監(jiān)測與預(yù)警，有效地保障了燒結(jié)機的無憂運行。

保護(hù)系統(tǒng)上線運行至今，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示大多數(shù)的時間里，生產(chǎn)負(fù)荷對于扭力桿形成的輸出扭矩極值在 60 ～ 8ｋＮ·ｍ 之間；在生產(chǎn)負(fù)荷的過程中，2021 年3 月檢測到扭矩極值達(dá) 135ｋＮ·ｍ 以上，達(dá)到預(yù)警門限值，及時進(jìn)行了預(yù)警。 通過長期監(jiān)測扭矩趨勢變化情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以有效顯示設(shè)備的關(guān)鍵扭矩監(jiān)測點數(shù)據(jù)趨勢，對于設(shè)備的劣化趨勢也是有效保護(hù)。

用戶明確表示，該裝置能及時預(yù)警燒結(jié)機卡阻故障，有效的預(yù)警報警保護(hù)柔性傳動系統(tǒng)，使得原來柔性傳動系統(tǒng)自身故障導(dǎo)致的停機次數(shù)從每月 3 次降低至每月1 次及以下；國外進(jìn)口的類似監(jiān)測裝置不具備遠(yuǎn)程監(jiān)測和 ＡＰＰ 等功能，只具備機旁儀表功能，且價格高達(dá) 150 萬元，采用我們自主研發(fā)的監(jiān)測裝置可為用戶降低安全監(jiān)測與預(yù)警裝置采購成本約 50％ 。 燒結(jié)柔性傳動安全保護(hù)裝置實現(xiàn)了智能化的在線監(jiān)測和運維，人工巡檢負(fù)荷可以從每周1 次降低至每月1 次；同時可以降低由于燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)故障引起的生產(chǎn)損失，間接減少每年由于柔性傳動系統(tǒng)故障停機損失近千萬元。

4 結(jié)語與展望

燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)遠(yuǎn)程智慧安全監(jiān)測與預(yù)警裝置有效地解決了燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)負(fù)荷生產(chǎn)時無實時監(jiān)測和狀態(tài)反饋的設(shè)備痛點。 在智慧運維的模式下，實現(xiàn)了燒結(jié)機臺車卡阻、扭力桿疲勞斷裂等風(fēng)險狀態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警；實現(xiàn)了云端數(shù)據(jù)自動篩選和預(yù)警報警功能，對采集數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗證和優(yōu)化，按設(shè)定好的數(shù)據(jù)采集規(guī)則進(jìn)行 24 ｈ不間斷的數(shù)據(jù)采集與傳輸，并與計算分析的數(shù)值對比，進(jìn)行實時預(yù)警及報警數(shù)據(jù)的推送。

燒結(jié)柔性傳動系統(tǒng)遠(yuǎn)程智慧安全監(jiān)測與預(yù)警裝置的良好效果，為國內(nèi)同類型燒結(jié)機傳動系統(tǒng)安全保障提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，也為其他大型機械設(shè)備遠(yuǎn)程提供有效的實施路線，對于燒結(jié)設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能運維有重要的借鑒和參考意義。

參考文獻(xiàn)

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