礦井提升機故障診斷系統研究

武彥軍

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司曙光煤礦，山西 孝義 032300）

0 引言

提升機是礦井主要運輸設備之一，主要用于人員、物料及原煤等運輸，提升機運行可靠性、穩定性會直接給煤炭生產工作帶來影響[1-2]。提升機主要組成單元包括滾筒、齒輪箱、電動機以及鋼絲繩等，設備運行過程中難以避免會出現各類故障[3]。國內眾多學者對提升機故障診斷技術進行研究，其中喬國厚[4]提出采集、分析提升機振動信號實現故障定位以及診斷；陳瑩瑩和張曉光[5]綜合故障診斷技術、計算機技術構建提升機故障在線診斷系統，該系統可實時在線監測提升機運行情況，自行對故障進行診斷、預警，以便達到增強提升機運行可靠性目的。上述研究成果在一定程度上豐富了提升機故障診斷成果，并為提升機故障診斷工作開展提供了經驗借鑒。文中就以山西某礦副斜井使用的提升機為工程研究對象，對提升機運行期間常見故障類型進行歸納總結，并提出一種故障在線診斷系統，以期在一定程度增強提升機運行可靠性及效率。

1 副斜井提升機結構及常見故障類型分析

1.1 提升機結構

山西某礦現階段主采5號煤層，設計產能280 萬t/a，開采范圍內3 號煤層賦存穩定，厚度均值3.9 m，頂底板巖性以粉砂巖、泥巖及碳質泥巖為主。礦井采用立井+斜井開拓方式，井底車場布置在3 號煤層中，副斜井設計斷面為直墻半圓拱型，凈面積為28.9 m2，巷道斜長536 m，傾角15°～20°。副斜井采用的提升機為JK-3×2.9P，提升機運行采用變頻控制，最大運行速度3.0 m/s，提升鋼絲繩直徑34 mm、驅動電機為YPY500-10 型，減速度為NBD900 型、減速比30，滾筒直徑3000 mm，副斜井主要用以進風、行人以及設備、材料運輸。

1.2 提升機常見故障分析

副井提升機平均煤炭需要提升超過30 趟，對提升機為期12 個月監測，監測發現提升機運行期間主要故障位置出現在齒輪箱、電動機、鋼絲繩以及滾筒等位置，具體故障類型占比如圖1 所示。

圖1 提升機常見故障類型

1）齒輪箱故障。齒輪箱故障占比約為54%。齒輪箱是提升機傳動系統關鍵零部件，出現故障后會直接影響提升機運行。歸結起來齒輪箱故障原因包括潤滑油溫度偏高；滲漏油，主要出現在內齒圈或者箱體結合面位置；軸承損壞，多是由于軸承溫度偏高、潤滑油雜質偏多等導致；齒面損壞，表明類型主要為點蝕、齒輪表面被壓碎、齒面脫落等；齒面折斷。由于齒輪箱為密閉結構，當出現故障時肉眼往往難以直觀發現，齒輪箱故障時往往伴隨有異常振動，因此可監測齒輪箱振動信號實現故障診斷。

2）電動機故障。結合提升機運行現場監測結果以及相關研究成果，歸結的電動機故障類型包括定子運行異常、轉子導體運行異常、電機氣隙不均衡、轉子不平衡等。電動機出現故障后會伴隨有溫度增高、異常振動以及噪聲等，因此通過監測溫度、振動信號可實現故障診斷。

3）滾筒故障。提升機滾筒結構包括主軸、軸承以及卷筒等，副斜井布置的JK-3.0×2.2P 提升機為單滾筒類型，常見的滾筒故障類型包括滾筒裂隙（開裂或者開焊）、偏斜等。

4）鋼絲繩故障。鋼絲繩是提升機動力傳遞設備，故障類型以斷絲、損壞等為主，副斜井提升機配備有無損檢測系統對鋼絲繩進行實時檢測，可實現鋼絲繩故障實時診斷。

提升機運行出現故障后，表現特征為局部溫度增高、異常振動等，因此通過監測提升機關鍵部件溫度、振動信號可實現故障診斷以及預警。

2 故障診斷系統結構組成

2.1 故障診斷系統整體結構

具體構建的副斜井提升機故障診斷系統結構如圖2 所示，系統結構組成包括數據監測與故障診斷中心、監測傳感器、PLC 控制器、上位機、聲光報警裝置、工業以太網以及上位機等。數據監測與故障診斷中心設備包括數據庫服務器、工控機等，負責對監測數據進行存儲以及智能分析，實現故障診斷以及預警；PLC 控制器用以監測數據處理并將數據結果傳輸給數據監測與故障診斷中心，并接收相關控制指令實現相關操作；井下上位機用以顯示監測數據以及故障預警，并實現遠程操作；傳感器包括有振動傳感器、溫度傳感器等，實現振動信號、溫度信號實時監測[6-8]。

圖2 故障診斷系統結構示意圖

2.2 監測傳感器布置

故障診斷主要通過電動機、齒輪箱、減速器以及天輪等設備溫度、振動信號實現故障預警，具體滾筒、減速度、天輪以及電動機等位置采用振動傳感器實現設備振動信號監測；滾筒偏移量通過位移傳感器監測；碟簧壓力采用壓力傳感器監測。具體采用的傳感器類型如表1 所示。

表1 傳感器類型

傳感器監測參數是提升機故障診斷基礎，合理的選擇傳感器位置及類型可提高監測精度及可靠性。具體傳感器布置要求為：傳感器布置位置應盡量遠離電磁干擾區或者對工作影響有顯著影響區域；布置應盡可能靠近高溫點或者異常診斷點，以便提高監測精度；布置位置應有足夠剛度及強度，避免傳感器出現掉落。依據副斜井提升機現場情況，具體提升機上各傳感器布置位置如圖3 所示。同時布置振動及溫度傳感器位置包括有1～9 號位置、14 號位置、17 號位置以及20 號位置，同時布置壓力、位移傳感器位置包括有10～13 號位置、15～16 號位置、18～19 號位置等。

圖3 故障診斷系統中傳感器布置示意圖

3 現場應用效果分析

將故障診斷系統應用到副斜井提升機中，并按照預先設定方案在提升機各位置布置監測傳感器，并經過為期30 d 調試，故障診斷系統可平穩運行。故障診斷系統可實現提升機各關鍵位置溫度、振動信號等實時監測，并通過內置智能算法實現監測數據分析以及故障預警。具體在天輪處振動傳感器部分振動信號監測結果如圖4 所示。

圖4 振動監測結果

將振動監測結果與標準數據進行比對分析，發現監測獲取得到的峭度值、歪斜度以及峰值等均在合理范圍內，未有異常情況發生，表明期間天輪處于完好狀態。故障診斷系統應用期間，各組成部件以及傳感器等均可平穩運行，在2021 年10 月12 日早班期間，布置在電動機位置的溫度傳感器監測結果異常，現場查看發現電動機有燒毀征兆，有經過維護實現了電動機平穩運行。現場應用實踐表明，文中提出的提升機故障診斷系統可實現故障預警、診斷，在一定程度增強提升機運行可靠性以及故障防治能力。

4 結論

1）對山西某礦副斜井提升機常見故障類型進行分析，并對電機、齒輪箱、滾筒以及鋼絲繩等故障特點及原因進行分析，發現提升機各組成部件故障時往往伴隨有異常振動、高溫等。

2）依據提升機故障特點構建故障診斷系統，該系統主要依靠溫度、診斷傳感器等對提升機各組成部件進行持續監測，通過數據監測與故障診斷中心對傳感器監測數據進行智能分析，從而實現故障類型以及位置診斷。

3）對故障診斷系統中傳感器布置位置進行設計。現場應用后，故障診斷系統各部件均平穩運行，當發現有故障征兆（表現為溫度升高、偏移量偏大以及振動參數異常等）時系統會發出預警信息，從而便于先關人員及時處理，達到增強提升機運行可靠性目的。