煤礦多繩摩擦輪提升機振動監測系統設計及其故障診斷

摘 要：針對煤礦提升機提升系統的運行現狀，本文提出并設計了一種礦井提升機振動在線監測系統，該系統可實現礦井提升機的在線狀態監測、診斷和報警。同時將有限元模態計算和模態分析結合，利用ANSYS對提升機振動進行模態分析，分析結果與提升機在實際情況下的振動相符，為后期工作提供理論指導。

關鍵詞：多繩摩擦提升機 振動測試 有限元 模態分析 ANSYS

中圖分類號：TD44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0074-02

地下采礦等行業使用較多的是一種關鍵運輸機是多多繩摩擦式提升機，此類機器也是提升機未來的發展方向，它對于礦山生產中井下生產和地表運輸紐帶之間的溝通的作用影響重大。提升機的主要承載裝置是電機主軸，其是否是正常運行狀態對生產的效率和安全有直接的影響，整個系統的安全與之息息相關。根據振動理論對主電機軸承和天輪軸承的監測和分析，以達到解決提升機實際運行的振動問題對現實有著重大意義。

1 系統硬件組成

（圖1）就是多繩摩擦提升機，它是一種大型低速、重負荷旋轉機械。驅動電機、聯軸器、減速器、卷筒和軸承等構成了煤礦立井提升系統。振動測試有兩個特殊點：（1）整棟具有規則的周期性。（2）轉動部件是大型設備的主要振動測試對象。有三個方向是震動測試的主要測試方向，也就是水平、垂直和軸向方向，因為不同的方向不同的故障會有不同的現象，比方說水平方向不平衡，垂直方向松動，而軸向反映強烈的是不對稱。通常情況下會將徑向得像個測點安裝在垂直方向，而水平方向最佳高度就是軸中心的高度

本監測系統采用XZD-YB一體化振動變送器，它將振動速度傳感器、精密測量電路集成在一起，實現了傳統的“傳感器十變送器”模式的振動測量系統的功能，實現了經濟型高精度振動測量系統，該變送器可直接連接DCS、PLC或其它系統，是電機等設備振動測量的理想選擇。采用西門子S7-300系列PLC接收振動變送器的模擬量信號，完成數據的預處理，報警等功能。再通過PLC的以太網通訊模塊傳輸數據到地面監控中心的PC機上，實現在線顯示、報警、故障診斷分析等。系統網絡化拓撲圖如圖2所示。

2 系統軟件功能

該上位機系統是基于中文Windows XP平臺，采用WinCC V6.0組態軟件開發而成（圖2）。

（1）顯示功能。

立體流程畫面的顯示功能；具有多種類型圖表、系統圖、曲線圖，用戶界面更加直觀。

（2）報警功能。

根據實際情況設定不同地點的預警值、報警級別及地理位置名稱。系統可以完成診斷結果的統計報表，供設備管理使用，包括日、周、月、年的檢測結果統計報表和報警診斷結果報表。

（3）上傳功能。

實時振動數據網絡上傳，輕松實現無人值守。按照系統設定的參數（通道參數、保存監測數據間隔等）循環在線監測：實時數據采集→數據預處理（有效值、最大值、平均值等統計）→報警狀態判別（如果有任何測點需要報警）→實時顯示數據、棒圖、趨勢圖、時間波形等→定時將檢測數據存入數據庫→實時數據采集。

（4）圖形表格。

用戶可定制各種表格：實時數據表、歷史數據、統計報表、報警一覽表、實時數據曲線和歷史數據趨勢曲線等。

（5）查詢功能。

可以在系統圖上直接查詢設備信息、運行情況、統計信息等。同時可以實現數據報表和數據庫的連接，可以保存歷史數據以備后續的分析。

3 系統應用案例分析

本系統現已應用于淮南顧橋礦主副井多繩摩擦提升系統。立井提升機整體是一個質量和剛度分布十分不均勻的，由若干個零部件組成的大型復雜的機器系統，在計算分析振動時，首先要做出較為合理的力學模型，使其既有利于理論分析計算，又能夠滿足工程上的精度要求。在把提升機整體的實際結構抽象為力學模型的過程中，認為井塔提升機大廳地基為剛性支承，略去各軸承座的彈性，把提升機系統離散成為多質點。本文采用有限元方法和ANS

YS有限元分析軟件分析振動參數。

（1）有限元法。

一般連續問題近似求解的數值方法就是有限元。在結構的應力分析中最早使用，之后在熱傳導、電磁場、流體力學等連續問題中很快應用。有限元方法密切結合了工程應用，是為產品設計直接服務的。隨著有限元理論的不斷發展和完善，涌現了大量大小不一、專用的、通用的有限元結果分析程序。所以工程結構中的一般問題現在直接可以使用通用程序求解，不用再另編計算程序，節省了大量精力和時間。

有限元三維彈性動力學的基本方程是：

平衡方程

（在V域內）

幾何方程（在V域內）

物理方程（在V域內）

邊界條件（在邊界上）

（在邊界上）

初始條件

式中為質量密度；阻尼系數；和分別為對的二次導數和一次導數，即分別表示方向的加速度和速度。和分別為慣性力和阻尼力（取負值）。結構在隨時間而變化的荷載作用下，位移、速度、加速度、應變、應力將都是時間的函數。

（2）有限元三維實體動力分析步驟。

三維實體有限元動力分析的一般步驟可以表述如下。

①連續區域的離散化。

在動力分析中，因為引入了時間坐標，處理的是四維問題。在有限元分析中一般采用部分離散的方法，即只對空間域進行離散。

②構造插值函數。

由于只對空間域進行離散，所以單元內位移的插值表示是

③簡化求解方程。

利用Galerkin提出的平衡方程與力的邊界條件的等效積分形式，同時將位移空間離散后的表達式和初始條件

代入，最終得到系統的求解方程常微分方程組。原則上可利用求解常微分方程組的常用方法（例如Runge-Kutta方法）求解，但是在有限元動力分析中，因為矩陣階數很高，用這些常用算法一般是不經濟的。本文主要用直接積分法和振型疊加法。

（3）有限元分析軟件ANSYS。

本文對提升機轉軸組件系統的模態分析使用的是美國大型ANSYS有限元分析軟件。ANSYS軟件本身融合了結構、熱、液體、電磁、聲學，有限元分析作為基礎的大型通用CAE軟件。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。由于ANSYS產品家族中的模態分析是一個線性分析，任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略，因此這里假設系統為線性系統，進行有限元剖分時采用了梁單元、質量單元和彈簧單元，計算了滿載時前15階模態頻率見表1，同時利用MATLAB繪制出了前4階振型圖見圖3。

4 結論

分析計算模態的結果可以看出，如果該頻率和轉軸組件系統的軸向、徑向和扭轉震動的模態頻率，頻率處會比較容易出現峰值，計算模態分析結果會等同于實測信號的分析結果，而模態頻率附近的頻帶范圍經常出現譜峰，也就是轉軸組件系統的動態的實際情況是和建立的有限元計算模型相符的。我們將進一步對模型進行優化改進，為今后煤礦立井提升系統的振動改善做出理論指導。

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