大型礦井提升機(jī)天輪偏擺的監(jiān)測(cè)與診斷

趙建齋

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

礦井提升機(jī)以其提升快捷方便、自動(dòng)化程度高、提升速度快、提升容量大等優(yōu)勢(shì)在礦山主要擔(dān)負(fù)著提升煤炭資源、矸石、設(shè)備材料以及升降人員的重要任務(wù)，是聯(lián)系礦井井下和礦區(qū)地面的關(guān)鍵通道與橋梁，有著“礦井咽喉”之稱[1，2]。對(duì)于煤炭行業(yè)，提升機(jī)不僅具有輸送人員的作用，還具有提升礦物的功能，因而在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，提升機(jī)起著不可忽略的作用。提升設(shè)備的提升量代表著礦井的主產(chǎn)量，礦井提升機(jī)一旦出現(xiàn)故障或是產(chǎn)生故障隱患而不能被排除，在礦井生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益上的損失十分巨大，甚至造成重大的傷亡事故，是礦井安全生產(chǎn)的巨大隱患。提升機(jī)天輪是礦井提升系統(tǒng)的重要部件，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響到整個(gè)提升系統(tǒng)的性能，如果天輪出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致提升系統(tǒng)不能正常工作，給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。因此，提升機(jī)天輪健康診斷具有重要的意義。

1 天輪偏擺監(jiān)測(cè)

落地式多繩摩擦提升機(jī)鋼絲繩與滾筒接觸點(diǎn)至天輪處的一段鋼絲繩通常稱為繩弦。鋼絲繩振動(dòng)最劇烈的部位往往是繩弦，其持續(xù)劇烈振動(dòng)不僅影響使用壽命，而且會(huì)使提升系統(tǒng)增加額外的動(dòng)載荷，從而進(jìn)一步影響滾筒和天輪等設(shè)備的使用壽命。

盡管導(dǎo)致繩弦振動(dòng)的因素較多，但天輪偏擺是主要原因之一。當(dāng)天輪偏擺超限時(shí)，會(huì)引起鋼絲繩繩弦的劇烈振動(dòng)。繩弦振動(dòng)可用圖1 表示：摩擦輪固定，天輪偏擺可簡(jiǎn)化為Asinωt 橫向周期運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖1）。

圖1 繩弦的強(qiáng)迫振動(dòng)示意

在許多實(shí)際問(wèn)題中，可以部分甚至全部忽略參數(shù)的分布性質(zhì)，以便簡(jiǎn)化對(duì)問(wèn)題的研究。在本研究中，采用基于分布參數(shù)連續(xù)模型對(duì)繩弦進(jìn)行研究，可得繩弦的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)為：

式中：ωi——鋼絲繩的固有頻率；

A ——激勵(lì)的位移幅值；

ω ——激勵(lì)頻率；

L ——繩弦長(zhǎng)度；

x ——繩弦距離；

t ——時(shí)間。

從式中可看出，天輪的劇烈偏擺能引起繩弦的強(qiáng)迫振動(dòng)。第31 頁(yè)圖2 為采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，其采用電感式位移傳感器檢測(cè)各輪轂的偏擺，在天輪轂圓周上配置了8 個(gè)電感式位移傳感器，經(jīng)過(guò)電流電壓變送器傳至PCI9114DG 模擬量數(shù)據(jù)采集卡，由工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖2 天輪狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2 天輪偏擺信號(hào)分析處理

頻譜是為了使信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)到頻域而對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析的方法，可分為幅值譜、相位譜、實(shí)頻譜、虛頻譜、功率譜等。它們從不同方面描述了信號(hào)的特征，從而表示出信號(hào)的頻率信息。幅值譜和功率譜可以反映信號(hào)各頻率的能量成分，相位譜可以反映信號(hào)各頻率分量的初始相位。實(shí)頻譜和虛頻譜在工程中的應(yīng)用相對(duì)比較少，而功率譜和幅值譜的應(yīng)用則比較廣泛。在振動(dòng)分析中，幅值譜可以反映不同頻率的正弦波所攜帶能量的多少。

本研究中，采用快速傅立葉變換對(duì)連續(xù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行幅值譜分析，監(jiān)測(cè)各頻率分量下的信號(hào)幅值，進(jìn)行健康診斷。以某礦2#提升機(jī)天輪偏擺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，天輪具體參數(shù)見(jiàn)表1，天輪偏擺傳感器安裝見(jiàn)圖3，信號(hào)處理結(jié)果見(jiàn)圖4。

表1 天輪參數(shù)

根據(jù)天輪偏擺實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行分析。圖4 中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值。圖中信號(hào)幅值區(qū)域反映的是天輪偏擺量的大小，以南上天輪1 號(hào)為例，信號(hào)幅值最大值為68.5，最小值為65.5，二者之差為3，即天輪偏擺量為3。詳細(xì)天輪偏擺量見(jiàn)表2。

圖3 天輪偏擺位移傳感器的安裝

圖4 天輪偏擺實(shí)測(cè)結(jié)果

表2 天輪偏擺量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，采用絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦機(jī)電設(shè)備檢修質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（見(jiàn)表3），端面圓跳動(dòng)不超過(guò)10 mm，建立天輪偏擺超限判據(jù)。根據(jù)判據(jù)可得，南上天輪4 號(hào)與南下天輪4 號(hào)處于亞健康狀態(tài)，南下天輪3 號(hào)處于超限狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行相關(guān)處理。

表3 機(jī)電設(shè)備檢修標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)天輪在線偏擺信號(hào)的處理與分析，將其轉(zhuǎn)換為設(shè)備檢修標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天輪偏擺的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且可以定量判斷天輪偏擺是否符合要求，為天輪定量檢測(cè)與判定打下基礎(chǔ)，從而為整個(gè)提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到很好的保障作用。

[1]唐艷同.礦井提升機(jī)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能故障診斷系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學(xué)，2013：1-10，37-56.

[2]胡勇.礦用提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)改造及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2010：1-21.