礦井提升機(jī)主軸裝置振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究

吳海青吳軍峰

（1.太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008；2.太原鍋爐集團(tuán)有限公司，太原 030008）

礦井提升機(jī)主軸裝置振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷研究

吳海青1吳軍峰2

（1.太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008；2.太原鍋爐集團(tuán)有限公司，太原 030008）

本文針對(duì)山西某煤礦提升機(jī)主軸裝置的振動(dòng)現(xiàn)象，開發(fā)出一套基于組態(tài)軟件平臺(tái)礦井提升機(jī)主軸裝置振動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)與調(diào)試，該系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地診斷出主軸裝置振動(dòng)的原因，為煤礦實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修提供了可靠的依據(jù)。該系統(tǒng)可完成已有的人工監(jiān)測(cè)記錄與經(jīng)驗(yàn)故障診斷向在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與科學(xué)診斷的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)的現(xiàn)代化管理。

礦井提升機(jī) 主軸裝置 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè) 故障診斷

引言

礦井提升系統(tǒng)是一套集機(jī)、電、液為一體的復(fù)雜設(shè)備，在煤礦生產(chǎn)過程中，礦井提升設(shè)備是生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ撸饕獡?dān)負(fù)著升降人員、設(shè)備和提升煤炭和下放材料的任務(wù)，是將井上和井下聯(lián)系起來的唯一途徑，被稱為礦井生產(chǎn)的“咽喉”。主軸裝置作為提升機(jī)的重要承載部件，一旦損壞，不僅直接影響礦井的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益，而且會(huì)對(duì)井下工作人員的安全構(gòu)成極大的威脅。因此，作者針對(duì)山西焦煤西山煤電馬蘭礦副立井研發(fā)了一套提升機(jī)主軸裝置振動(dòng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 主軸裝置結(jié)構(gòu)簡介

主軸裝置是提升機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)和承載部件，主要由卷筒、主軸、主軸承、制動(dòng)閘盤等組成，多繩摩擦式提升機(jī)主軸裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，卷筒為焊接結(jié)構(gòu)，用高強(qiáng)度螺栓、過盈配合或鍵與主軸法蘭盤相連，主要由筒殼、左右輻板、左右輪轂、支環(huán)和擋繩側(cè)板焊接而成；主軸承采用滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承由滾動(dòng)體、內(nèi)圈、外圈和保持架四種元件組成的，其內(nèi)圈與主軸的軸頸通過過盈配合聯(lián)接，工作時(shí)隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈固定在軸承座上；制動(dòng)閘盤分為不可拆卸的焊接式閘盤和可拆卸式組合閘盤，不可拆卸的焊接式閘盤，就是將制動(dòng)盤焊接到滾筒上，可拆卸式組合閘盤，即制動(dòng)盤和筒殼主體采用高強(qiáng)度螺栓、大平面摩擦連接或鉸孔螺栓與過孔螺栓交錯(cuò)聯(lián)接。

圖1 多繩摩擦式提升機(jī)主軸裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

提升機(jī)主軸裝置振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是：振動(dòng)傳感器將主軸裝置軸承處的振動(dòng)信號(hào)傳至安裝在工控機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡，繼而由數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)的組態(tài)軟件中完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、報(bào)表查詢和打印、超限報(bào)警等。然后再通過組態(tài)軟件WEB發(fā)布功能實(shí)時(shí)發(fā)布上位機(jī)的監(jiān)測(cè)畫面，以便監(jiān)控中心和調(diào)度中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并利用組態(tài)軟件的SQL訪問功能將數(shù)據(jù)保存到本地服務(wù)器的SQL Server數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)而利用SQL Server數(shù)據(jù)庫的復(fù)制訂閱技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程故障診斷中心，為故障診斷提供有力的數(shù)據(jù)支持，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3 系統(tǒng)硬件選型

振動(dòng)信號(hào)傳感器采用揚(yáng)州科動(dòng)電子技術(shù)研究所研制的型號(hào)為KD1200LS的三向壓電加速度傳感器，該傳感器體積小、重量輕、安裝簡單、頻響范圍寬（0～50kHz），并有很大的測(cè)量范圍，適合軸承座和殼體的振動(dòng)加速度測(cè)量，并適合于低頻率、低噪聲、高分辨率的振動(dòng)信號(hào)測(cè)量。本系統(tǒng)的振動(dòng)傳感器安裝于主軸兩端的軸承頂部，現(xiàn)場(chǎng)安裝位置如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集卡選用研華生產(chǎn)的PCI–1713智能板卡，可方便地插入工控機(jī)的擴(kuò)展卡槽中，該卡的主要特點(diǎn)有：（1）靈活的輸入類型和范圍；（2）高速數(shù)據(jù)采集；（3）滿足隔離保護(hù)要求；（4）工業(yè)過程監(jiān)測(cè)與控制；（5）變送器/傳感器接口；（6）多路直流電壓測(cè)量，選用該數(shù)據(jù)采集卡能夠滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集要求，采集過程如圖4所示。其他的硬件包括恒流適配器、工控機(jī)和本地服務(wù)器等，系統(tǒng)硬件的連接如圖5所示。

圖3 振動(dòng)傳感器的安裝位置

圖4 振動(dòng)加速度信號(hào)采集過程示意圖

圖5 硬件連接

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，軟件的選用必須和硬件相符合，本系統(tǒng)選用組態(tài)王6.53軟件作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢和存儲(chǔ)、超限報(bào)警等功能，其功能結(jié)構(gòu)如圖6所示，主監(jiān)測(cè)界面如圖7所示，其中振動(dòng)速度均方根值即振動(dòng)強(qiáng)度，它反映了包含各次諧波能量的總振動(dòng)能量的大小，通常情況下我們會(huì)采用振動(dòng)烈度來衡量振動(dòng)強(qiáng)度的大小。監(jiān)測(cè)振動(dòng)位移幅值，即一次提升過程中最大位移與最小位移（含負(fù)值）差的絕對(duì)值，用以判斷基礎(chǔ)是否薄弱。

圖6 軟件的功能結(jié)構(gòu)框圖

圖7 主監(jiān)測(cè)界面

5 試驗(yàn)研究

對(duì)該系統(tǒng)經(jīng)過多次試驗(yàn)和調(diào)試，現(xiàn)已成功應(yīng)用到西山煤電馬蘭礦副立井提升機(jī)的主軸裝置振動(dòng)故障診斷中，以下對(duì)提升機(jī)主軸系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中心的遠(yuǎn)程網(wǎng)站使用方法做簡單的介紹。

（1）首先在瀏覽器的地址欄中輸入正確的地址，進(jìn)入“多繩摩擦提升機(jī)主軸系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)”界面，如圖8所示。首頁中的系統(tǒng)簡介主要介紹該系統(tǒng)所具備的功能，主要有技術(shù)參數(shù)的查詢、監(jiān)測(cè)中心、診斷中心和趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能。

圖8 遠(yuǎn)程故障診斷中心首頁

（2）單擊“監(jiān)測(cè)中心”，進(jìn)入監(jiān)測(cè)中心界面，如圖9所示，該界面監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)變化與現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)王監(jiān)測(cè)畫面同步，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

圖9 遠(yuǎn)程發(fā)布界面

（3）點(diǎn)擊“診斷中心”按鈕，彈出診斷中心頁面，如圖10所示。界面中主軸軸承處的振動(dòng)烈度值是實(shí)時(shí)調(diào)用本地?cái)?shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，若某個(gè)方向上的振動(dòng)烈度超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的界限值，振動(dòng)烈度的報(bào)警燈就會(huì)變?yōu)榧t色，提醒工作人員需對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行診斷。

圖10 遠(yuǎn)程診斷中心界面

（4）點(diǎn)擊圖10中“診斷”按鈕，即在彈出的另一頁面上顯示出對(duì)于某個(gè)方向上的振動(dòng)烈度超限原因分析的詳細(xì)結(jié)果，如圖11所示。

圖11 診斷結(jié)果界面

以上簡單介紹了多繩摩擦提升機(jī)主軸系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的使用方法，并結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)畫面，給出提升機(jī)主軸軸承處出現(xiàn)振動(dòng)烈度超限時(shí)的診斷過程。

6 結(jié)語

本文將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等結(jié)合起來，開發(fā)出一套基于組態(tài)軟件平臺(tái)的多繩摩擦提升機(jī)主軸系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：該監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)能真實(shí)地反映礦井提升機(jī)主軸系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)，通過對(duì)提升機(jī)主軸及軸承在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能及時(shí)掌握和判斷設(shè)備是否存在故障，若存在故障，則及時(shí)采取相應(yīng)的措施，避免事故的發(fā)生及事故帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失，從而實(shí)現(xiàn)按狀態(tài)維修，真正達(dá)到“預(yù)知維修”的效果，并可延長檢修周期和縮短檢修時(shí)間，提高檢修質(zhì)量和設(shè)備的維修管理水平。

[1]劉芬，孟淑琴.礦井提升機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其故障診斷[J].工礦自動(dòng)化，2008，（2）：108-110.

[2]王利棟.基于振動(dòng)信號(hào)的礦用提升機(jī)主軸軸承健康診斷研究與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2016，37（10）：94-97.

[3]喬國厚.基于振動(dòng)信號(hào)分析的礦井提升機(jī)主軸裝置在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].礦山機(jī)械，2013，41（12）：51-55.

[4]黃民，李功，張永忠.礦井提升機(jī)振動(dòng)測(cè)試與故障診斷[J].煤礦機(jī)械，2002，（12）：79-81.

[5]付艷麗，蘇榮華.礦井提升機(jī)振動(dòng)的故障診斷與控制措施[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2004，31（1）：46-48.

The Research of Mine Hoist Spindle Vibration Condition Monitoring and Fault Diagnosis

WU Haiqing1, WU Junfeng2
(1.Department of mechanical engineering of taiyuan institute of technology，Taiyuan 030008; 2.Taiyuan boiler group Co., Ltd, Taiyuan 030008）

For the vibration of the spindle unit of a mine hoist in shanxi, a set of the shaft unit vibration state monitor and remote fault diagnose system of the mine hoist based on configuration software platform is developed. By testing and debugging, the system can accurately diagnosis the reasons of vibration of the spindle unit, and provides a reliable basis to realize predicting maintenance of coal mine. The system completes the transformation of the existing manual monitoring record and experience of fault diagnose to the on-line real-time monitoring and scientific diagnose, and realize the modernization management of mine hoist.

mine hoist, spindle unit, vibration condition monitoring, fault diagnosis