主副井絞車軸承運行狀態監測與故障預警系統研究

孫愛東 田錦釗 李 廣

（1.山東能源集團西北礦業有限公司，陜西 西安 170000；2.山東能源集團西北礦業有限公司雙欣礦業，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 項目實施背景

岱莊煤礦主副井提升機選用落地式多繩摩擦輪提升機。該礦主副井提升機在原設計中，其電機軸承處缺少振動及溫度監測裝置，提升機的運轉過程中一直采用人工巡檢測量方式檢測軸承的運轉狀態，依靠檢查人員耳聽軸承運轉過程中的振動，平時只能依據檢查人員的經驗判斷軸承的運轉狀態，并且需要定期拆卸，查看軸承的磨損情況。這種方式不僅浪費了人力物力，而且人工巡檢具有很大的不確定性，又不能保證其監測數據的準確性和連續性，不能實時自動監測提升機電機軸承的運轉狀態和完成軸承故障預警的功能，這樣必將嚴重制約礦井安全與生產。特別是天輪軸承系統的檢查，位置高，滾動軸承數量多，嚴重危及巡檢人員生命安全。

主副井絞車軸承運行狀態監測與故障預警系統是通過對軸承系統故障特征分量（振動和溫度）實時監測監控，對運轉設備故障提前預警并做出診斷，可以有效避免重大事故的發生，減少維修費用，提高煤礦設備管理水平[1-5]。該系統既克服了目前人工巡檢數據準確度低、周期過長、連續性差和無法實現絞車軸承故障預警的問題，還可以實現分站無線采集監測點數據，傳送至上位機后還可以進行數據存儲、分析、診斷，對于煤礦主副井絞車的安全、穩定運行以及煤礦高效安全生產有重要意義。

2 方案的設計與確定

從軸承監測和故障診斷的發展趨勢來看，研究以計算機分析為基礎的在線軸承振動、溫度監測與故障預警是主要研究趨勢和研究熱點。針對這個問題，將以滾動軸承的運行狀態監測和故障預警為研究對象，研究一種基于嵌入式系統對滾動軸承的運行狀態監測與根據振動信號故障精密診斷的方法，從而實現對煤礦主副井絞車軸承的全方位保護。

針對主副井絞車房中的電機、聯軸器和滾筒軸承，配合有線振動傳感器和溫度傳感器，選取合適的監測點進行振動和溫度監測。監測點般分三個方向，即水平方向X、垂直方向Y 和軸向方向Z。水平徑向測點通常選在軸中心高度處，各測點互相垂直安裝，這是因為不同的故障反映在不同的測量方向上，如：不平衡多反映在水平方向上，松動在垂直方向，軸向躥動則在軸向比較強。對于天輪軸承系統的檢查，位置高，滾動軸承數量多，布線困難。傳統的無線振動傳感器有單軸、雙軸和三軸，但是他們只提供時域信號，基于時間的分析會產生一個綜合所有這些振動源的復雜波形。該信號在上位機上通過專門軟件進行頻域分析，這不僅使整個系統的實時性和同步性毫無可能，而且將大部分額外設計工作推給了設備開發商，降低了上位機的工作效率，保證不了數據的實時性，增加了編程的難度，延長了開發周期。

最終確定本系統由溫度傳感器、振動傳感器和分析儀器、可編程序控制器等幾個部分組成，從全局控制策略角度，應用先進的計算機控制技術、檢測技術、通信技術以及故障診斷和多傳感器數據融合技術，研制一套主副井絞車軸承運行狀態監測與故障預警系統。

3 系統的構成

主副井絞車房內的提升設備的軸承監控系統采用PLC、觸摸屏及監控軟件組合設計，使用有線振動和溫度傳感器，實現對電機后軸軸承振動（包括X 方向、Y 方向、Z 方向）、滾筒后軸軸承振動（包括X 方向、Y 方向）、溫度（包括電機后軸軸承、滾筒后軸軸承）的連續在線監測功能。對于天輪軸承的振動溫度監測，使用無線振動溫度一體化傳感器配合無線基站，實現振動溫度的實時監測，并且運行時可直接查看振動的頻譜，具有完備的報警顯示功能，可以實現振動過大、振動異常、軸承溫度過高報警等等，給提升設備的維護提供參考，帶來了極大的方便，提高了整個控制系統的自動化、智能化和人性化的水平，減少了人員巡檢工作量，改善工人工作環境。

3.1 系統結構

主副井絞車軸承運行狀態監測與故障預警系統采用集中管理、分散控制的系統結構，如圖1。

圖1 主副井絞車軸承運行狀態監測與故障預警系統結構原理圖

針對天輪軸承，由于其位置高，不宜布線，采用無線振動溫度一體化傳感器進行振動和溫度監測，并且可以同時監測三軸的振動變化，減少傳感器的數量。無線振動傳感器與無線基站之間采用2.4 GHz 的射頻進行無線通訊，通訊距離可達100 m。無線基站通過自帶的網絡模塊接入地面工業以太網，遠端的地面監控主機通過設置對應的IP 可以實現與無線基站的通訊，其結構圖示意如圖2。

圖2 天輪軸承振動在線監測結構圖

現場測量控制層是由主副井絞車房的溫度檢測變送器、振動分析儀器、PLC 控制柜（分站）、模擬量輸入模塊、以太網模塊等部件組成。振動和溫度傳感器實時采集振動和溫度信號，PLC 模塊接受來自傳感器輸出的信號，送至上位機的專家系統進行數據處理，進行故障診斷與預測分析。

3.2 系統軟件設計

作為整個系統的一部分，軟件的設計具有極其重要的地位。本設計的軟件部分由以下幾部分組成：計算機管理子系統、上下位機通信子系統、無線振動溫度一體化傳感器軟件系統、無線基站軟件系統等。

本系統組態軟件主要用來設計人機交互界面，實現對整個系統運行狀態遠程可視化監測。另外，輔助以SQL Server 數據庫管理系統和基于VB 的信號頻譜分析軟件，對采集到的振動、溫度等信號進一步分析，并建立相應的數據庫。主副井絞車軸承運行狀態監測與故障預警控制流程如圖3。

圖3 主副井絞車軸承運行狀態監測與故障預警控制流程圖

對于天輪軸承無線振動監測，無線基站與無線振動傳感器的軟件流程如圖4。上位機通過串口與無線網關連接，發送初始化命令和查詢數據指令，流程如圖4（a）所示。無線網關將收到的上位機指令轉發給安放在監測現場的無線傳感器。無線傳感器程序是在IAR 的環境下編譯并調試通過的，采用C 語言編程，無線傳感器程序主要是根據接收到的上位機控制指令來執行相應的操作，并把采集的振動數據傳送給上位機，主程序流程如圖4（b）所示。

圖4 程序流程圖

4 系統創新性

（1）將專家系統與神經網絡技術結合，把智能控制理論中先進控制理論方法引入到實際的絞車軸承狀態監測與故障診斷中，并進行建模與仿真。

（2）直接對軸承振動信號進行頻譜分析，采用共振解調法結合頻譜圖的頻率結構和差頻分析，對軸承早期故障進行精密診斷。

（3）自主設計研發的嵌入式微控制器，采用雙層結構模塊化設計，集信號采集、處理、信號分析和通訊于一體。在此基礎上通過上層處理軟件完成對故障信號類型和程度解析，從而實現了實時監測絞車軸承運行狀態及故障狀態的準確辨識。

（4）數據交換網絡化設計，實現對絞車軸承的全方位監測與保護。

（5）設計一套絞車軸承運行狀態監測與故障預警的無線傳輸模塊，將實現現場設備與上位機的無線通訊，以提高監測設備對安裝現場的適應性。

5 效果分析

5.1 經濟效益分析

（1）實時監測后，早期預警減少軸承系統故障損失。對于岱莊煤礦主副井絞車，若每年用于軸承系統檢查或軸承系統突然故障造成停止提升的時間為10 h，按年產量240 萬t，每噸價格600元，每年減少直接經濟損失：（240×600×10）÷8760=165 萬元。

（2） 精簡維檢人員，減少工資開支。由于項目軸承監測與預警數據采用自動采集系統，并且實時顯示，不但檢測的準確率是人工巡查無法比擬的，而且省掉了至少3 個巡查工人，以年工資9 萬元記，每年可以節省人工費27 萬元。

每年創效：165+27=192 萬元。

5.2 社會效益分析

采用溫度、振動數據自動采集系統，由于檢驗結果準確率高，大大降低了煤礦的安全隱患，為煤礦安全高效生產做出巨大的貢獻。系統將實現對軸承系統故障特征分量（振動和溫度）實時監測監控，對運轉設備故障提前預警并做出診斷，可以有效避免重大事故的發生，減少維修費用，提高煤礦設備管理水平，社會效益顯著。