狀態監測在礦井提升機振動故障診斷中的應用

朱浩軍 梁振奮

（SKF（中國）銷售有限公司 上海）

一、概述

現代化煤礦設備日益向重載、高速、大型、自動化、多功能化與使用高效率化方向發展，在生產過程中機械設備因各種原因導致的故障頻繁發生，設備的維修成本和停機損失急劇增加，嚴重影響了煤炭的有效生產，因此對設備運行的可靠性和經濟性的要求日益苛刻，這使眾多企業提出了以預防為主、依靠設備狀態監測來提高設備運行安全性和可靠性的新措施。

礦井提升機（圖1）是礦山重要的大型機械設備，對礦井提升機狀態監測確保其運行可靠、安全，具有重要意義。礦井提升機的齒輪箱低速軸輸出轉速一般都＜50 r/min，對于此類低速重載的設備，滾動軸承隱患的特征頻率極低，而且振動能量較小，故障診斷中很容易被忽視。此外，由于系統本身振動大，淹沒了有隱患零部件的特征頻率，使診斷工作較為困難。SKF針對滾動軸承、齒輪箱故障研究的加速度包絡分析、周期時域平均、諧波活動指數等狀態監測專利技術，在各行業設備故障診斷中得到了有效應用和推廣，下面介紹SKF狀態監測系統在某礦務局單繩纏繞式提升機振動故障診斷上的應用。

二、系統配置

SKF在線監測系統由加速度傳感器、IMX-S監測單元以及分析軟件@ptitude Analyst組成。邏輯控制信號通過硬線連接的方式直接接入 IMX-S；轉速信號通過控制系統接入IMX-S單元；加速度傳感器通過多芯電纜接入 IMX-S單元；IMX-S單元通過RJ45網線/光纖接入服務器。

各分廠、車間通過設在各分廠相應的設備管理工作站（@ptitude Monitor）采集、輸入設備監測數據（在線監測和離線監測、點巡檢、抄表記錄、潤滑狀態數據、各類實驗結果數據等），并通過終端瀏覽設備（客戶端PC）共享設備運行狀態、管理/維護信息、故障信息、檢修計劃、備件情況等。SKF服務工程師通過設備遠程診斷服務，在外網瀏覽和分析設備運行數據。

圖1 提升機結構

同時，該系統能與EAM、CMMS系統相結合，使得生產與維修人員能在故障早期發現問題并立即做出調整，免去因設備失效或損壞而引起的昂貴支出。設備壽命的延長，計劃外停工期的減少，和低質量產品的減少，大大減少了客戶的生產成本。

1.硬件配置

提升機電機兩端采用了滑動軸承，因此在兩端軸承座徑向成90°夾角方向安裝電渦流傳感器。齒輪箱高速軸、中間軸以及1號、2號天輪兩側軸承座位置分別安裝高頻振動加速度傳感器。齒輪箱低速軸兩側、主軸滾筒兩側各軸承(滾動軸承)座水平方向安裝低頻加速度傳感器。考慮到主軸滾筒的轉速較低，因此在齒輪箱輸出軸和主軸滾筒兩端軸承座位置選用了低頻的加速度傳感器。

傳感器通過多芯電纜接入SKF的IMX-S在線監測單元。在線監測單元的振動信號通過光纖接入控制室進行數據分析。

2.軟件配置

分析軟件采用了SKF@ptitude analysis分析軟件，該軟件分析參數選擇了加速度包絡譜、速度頻譜、加速度總值、速度總值4種參數。

三、應用案例

1.軸承缺陷診斷

監測系統在2012年8月投入運行，速度譜顯示振動值正常。在2012年9月發現提升機2號天輪出現明顯的早期軸承缺陷，從加速度包絡圖可以明顯的看到軸承外圈缺陷頻率（BPFO）的多次諧波（圖2），更換軸承后，軸承缺陷頻率消失（圖3），更換的軸承外圈顯示有損傷。齒輪故障診斷

圖2 軸承缺陷頻譜

圖3 更換后軸承頻譜

圖4 齒輪箱輸出側頻譜

齒輪磨損嚴重時，不僅齒輪嚙合頻率周圍會出現邊頻帶，還會出現齒輪振動固有頻率。與齒輪嚙合頻率幅值相比，邊頻帶幅值的大小更能反映齒輪磨損的程度，邊頻帶組數越多，磨損越嚴重，如果參與嚙合的多個齒輪有問題，則在同一嚙合頻率周圍會出現多個邊頻帶。

2012年11月26日發現主軸齒輪箱輸出側頻譜圖出現明顯的齒輪嚙合頻率及其倍頻（圖4），該嚙合頻率攜帶大量輸出軸轉速頻率的邊頻，打開齒輪箱檢查發現輸出軸齒輪存在明顯齒面點蝕。

四、結論

SKF狀態監測系統根據設備轉速、軸承型號，選用不同頻響范圍的傳感器，結合SKF加速度包絡技術，通過檢測軸承缺陷以及齒輪磨損的振動信號，在設備早期故障出現時快速判斷故障所在。