何 根， 張長會， 葉勁兵， 張 勇， 盛宏玉

（1．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2．合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3．淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦，安徽 淮北 235136）

礦井提升系統(tǒng)是聯(lián)系井下與地面的一座橋梁。隨著煤礦事業(yè)的發(fā)展，開采深度的加大，礦井提升系統(tǒng)的工作負(fù)荷也越來越大。煤礦提升設(shè)備與井塔結(jié)構(gòu)之間存在著動力耦合作用，設(shè)備運行這一內(nèi)在的振源要引起井塔結(jié)構(gòu)的振動，同時結(jié)構(gòu)的振動又要影響到提升設(shè)備的振動。煤礦提升設(shè)備主要由提煤箕斗、鋼絲繩、摩擦輪、調(diào)速器和電動機(jī)等組成，是一個比較復(fù)雜的動力系統(tǒng)。國內(nèi)外對提升系統(tǒng)作整體分析的研究成果很少見到報道，通常是對其中的某一部分進(jìn)行研究［1～4］。迄今為止，國內(nèi)外對提升系統(tǒng)與井塔結(jié)構(gòu)耦合振動研究的報道較少，很多研究是將提升系統(tǒng)與井塔結(jié)構(gòu)分開考慮［5～6］。為了解提升設(shè)備的動力特性和振動狀態(tài)，國內(nèi)外不少學(xué)者開展了對提升系統(tǒng)進(jìn)行振動測試和對設(shè)備進(jìn)行故障診斷的研究［7～11］。通過合理的布置測點，對振動信號進(jìn)行時域和頻域分析，對礦井提升機(jī)傳動系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和評價。大部分的測試分析與研究工作主要涉及頻譜分析，從而確定設(shè)備的激振振動的主頻是否會導(dǎo)致井塔結(jié)構(gòu)的共振。

本文以臨渙煤礦的采煤主井為對象，介紹了基于振動測試對礦井提升系統(tǒng)動力設(shè)備進(jìn)行故障診斷的方法?；趯φ駝有盘栠M(jìn)行幅值域、時域、頻域的綜合分析和譜陣分析，可以全面了解提升系統(tǒng)的振動主頻，確定傳動系統(tǒng)齒輪的嚙合頻率，并由此找出產(chǎn)生提升設(shè)備振動的主要原因。同時，根據(jù)現(xiàn)場各關(guān)鍵測點振動信號的振動烈度指標(biāo)，對提升設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行了合理評價。

1 工程概況

臨渙煤礦是淮北礦業(yè)集團(tuán)的主要大型煤礦，該礦采煤主井的塔高66米，設(shè)計8層，為方形框架式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；井塔的第8層位置安裝1套提升系統(tǒng)，由電動機(jī)、調(diào)速器、摩擦輪及6股鋼絲繩和2個提煤箕斗組成?；窛M載時總重為25噸，空載時總重為13噸。在提升過程中，滿載的箕斗提升，而空載的箕斗下落。結(jié)構(gòu)與動力設(shè)備見圖1。

圖1 主井井塔結(jié)構(gòu)和提升系統(tǒng)動力設(shè)備

為全面了解提升系統(tǒng)的動力特性，掌握動力設(shè)備的運行狀態(tài)和井塔結(jié)構(gòu)的振動水平，于2012年9月和2013年3月先后兩次對臨渙煤礦的提升系統(tǒng)和井塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場振動測試。選用了高靈敏度的速度和加速度傳感器，對各測點的振動響應(yīng)進(jìn)行了定量測量，給出了頻譜特性和振動烈度的分析結(jié)果，以評價動力設(shè)備的運行狀態(tài)。

2 測試系統(tǒng)與測試方案

測試儀器系統(tǒng)由加速度傳感器、電荷放大器、16通道信號采集箱AZ316和南京安正軟件公司的動態(tài)信號處理軟件SSCRAS組成，如圖2所示。測試采用了南京安正軟件工程有限責(zé)任公司研制的CRAS動態(tài)信號分析系統(tǒng)，使用的傳感器是北戴河電子儀器廠生產(chǎn)的YD－65型加速度傳感器，然后通過電荷放大器的硬件積分得到振動速度信號。

圖2 測試系統(tǒng)框圖

提升設(shè)備及附近的樓板各布置4個測點，分別對應(yīng)4個軸承座的位置，其中，1＃測點為電機(jī)端軸承座，2＃和3＃為調(diào)速器兩端的軸承座，4＃測點為摩擦輪端軸承座。每個位置測點用4只傳感器，用4通道一次性采集信號，3只傳感器測量軸承座3個方向的振動，另外1只傳感器測量附近樓板的垂直方向振動。

3 測試數(shù)據(jù)的頻譜分析

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析的目的是為了了解振動的頻譜特性，掌握測試信號中所包含的頻率成分，從而為查找振源提供依據(jù)。本次測試主要分為動力設(shè)備和樓板的振動兩部分。根據(jù)設(shè)備和樓板的振動頻率范圍不同，設(shè)備振動測試的采樣頻率為2560Hz，分析頻率為1000Hz，共采集128頁數(shù)據(jù)，時間總長度為51．2s，正好能覆蓋提升機(jī)的整個運行全過程；樓板振動測試的采樣頻率為256Hz，分析頻率為100Hz，共采集16頁數(shù)據(jù)，時間總長度為64s。由于提升系統(tǒng)在一個運行周期內(nèi)主要分為加速、勻速和減速3個階段，因此，在動力設(shè)備上各測點振動信號的頻譜特性是隨時間變化的。1＃軸承座在加速階段的垂向振動信號如圖3所示，其振動的主頻較低，而圖4所示的為勻速階段的垂向振動信號，振動的主頻要高很多。

圖3 啟動階段的時域信號

圖4 勻速階段的時域信號

對于穩(wěn)態(tài)激勵產(chǎn)生的振動響應(yīng)，CRAS軟件根據(jù)所有各采集數(shù)據(jù)塊的頻譜圖作累積平均，最后給出的集總平均的頻譜曲線能反映出振動信號中的主要頻率成分。2＃、3＃軸承座垂向振動信號的頻譜曲線分別如圖5（a）和圖5（b）所示，振動信號中包含的振動主頻見表1，其中頻率237．5Hz對應(yīng)電動機(jī)與調(diào)速器傳動齒輪的1階嚙合頻率。

圖5 調(diào)速器兩端2＃、3＃軸承座振動信號的頻譜曲線

4 調(diào)速器轉(zhuǎn)軸的嚙合頻率

主井提升系統(tǒng)中的減速器傳動部分由一級定軸輪系和一個行星輪系組成，其中定軸輪系的輸入軸與電機(jī)軸相連齒數(shù)為31，為斜齒輪，螺旋角為15°，模數(shù)為10mm，與之嚙合的另一個齒輪的齒數(shù)1為43，行星輪系的中心太陽輪齒數(shù)為24，三個均勻分布的行星輪齒數(shù)為37，大的太陽輪為固定不動的內(nèi)齒輪，其齒數(shù)為99，行星架為輸出軸，與摩擦輪相連。整個減速器的輸入軸與輸出軸的高差為530mm，調(diào)速器總傳動比為7．1。

摩擦輪最大線速度為V＝9．6m／s，滾筒旋轉(zhuǎn)直徑D＝2．8m，其最大角速度為

而調(diào)速器的傳動比7．1，故電機(jī)軸最大角速度為

換算成工程單位，電動機(jī)輸入端的回轉(zhuǎn)頻率理論值為f1＝7．75Hz，調(diào)速器輸出端的回轉(zhuǎn)頻率理論值為f2＝1．09Hz。由此可計算出電機(jī)轉(zhuǎn)子與調(diào)速器齒輪的1階嚙合頻率為fa＝7．75×31＝240．25Hz，減速器行星輪系的嚙合頻率比較復(fù)雜，形成的是一個嚙合頻帶。

為了能反映各個時段振動響應(yīng)頻譜的變化情況，CRAS軟件將各個采集數(shù)據(jù)塊的頻譜圖排列成矩陣形式，給出了譜陣曲線。2＃、3＃軸承座垂向振動信號的譜陣曲線分別如圖6（a）和圖6（b）所示。

圖6 調(diào)速器兩端軸承座振動信號的譜陣曲線

由圖6可以看出，提升系統(tǒng)電機(jī)端調(diào)速器的齒輪嚙合頻率為ˉfa＝237．5Hz，與表1中給出的主頻值一致，也與1階嚙合頻率的理論值fa＝240．25Hz非常接近，說明測試結(jié)果是可信的。

由圖6（a）和圖6（b）可以看出，在啟動階段，2＃軸承座（調(diào)速器的輸入軸位置）的振動響應(yīng)中包含的明顯的振動主頻成分，表明調(diào)速器定軸輪系嚙合狀態(tài)不好。在2012年9月第1次測試時發(fā)現(xiàn)問題后，及時反饋給臨煥煤礦。煤礦及時組織技術(shù)力量對調(diào)速器的傳動部分進(jìn)行了調(diào)整。當(dāng)2013年3月第2次測試時發(fā)現(xiàn)此狀態(tài)得到了明顯的改善。圖7給出了調(diào)整后2＃軸承座振動響應(yīng)的頻譜曲線和譜陣曲線，可以看出，2＃軸承座振動響應(yīng)中包含第1階齒輪嚙合頻率的成分已經(jīng)非常小了，說明齒輪的嚙合狀態(tài)良好，第2次測試觀測到的各測點的振動烈度也都比第1次測試結(jié)果小了很多，說明此次對調(diào)速器進(jìn)行調(diào)整的效果比較理想。

圖7 調(diào)整后2＃軸承座振動信號的頻譜曲線和譜陣曲線

5 提升系統(tǒng)運行狀態(tài)的評價

5．1 評價參考標(biāo)準(zhǔn)

提升系統(tǒng)設(shè)備主要有電動機(jī)、調(diào)速器和摩擦輪。對旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全影響最大的是振動速度，因為速度跟能量聯(lián)系在一起。在10～1000Hz內(nèi)振動速度的均方根值（RMS）稱為振動烈度，因此，提升系統(tǒng)的運行狀態(tài)應(yīng)以振動烈度為考核指標(biāo)。

電動機(jī)為上海電機(jī)廠1977年12月出廠的它激式變頻電機(jī)，型號 ZD／60，1250kW，500／600轉(zhuǎn)／分。建議采用GB10068－2008中表1的有關(guān)參數(shù)，剛性安裝，軸中心高H＞280mm，振動烈度限值為2．8mm／s（有效值）。調(diào)速器參考 GB／T 6404．2－2005，該標(biāo)準(zhǔn)1．2．1條規(guī)定振動速度限值約10mm／s，考慮到煤礦提升機(jī)的重要等級以及工作始終處于變速狀態(tài)，這一限值顯得過于寬松，而1．2．2條新舊齒輪箱限值相差18倍。綜合考慮，建議采用振動烈度標(biāo)準(zhǔn)等級小于4．5mm／s為 A 類良好，4．5～7．1mm／s為B類可正常使用。摩擦輪參考GB11347－89中的評定等級規(guī)定:振動烈度小于1．8mm／s為A級（針對新交付使用機(jī)器）；1．8～4．6mm／s為B級（機(jī)器可以長期運行）；4．6～11．2mm／s為C級（機(jī)器尚可短期運行，但必須采取補救措施）；11．2～71．0mm／s為D級（停機(jī)，不允許運行）。文獻(xiàn)11采用ISO／IS 3945及ISO／IS 2372振動烈度評價標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定與GB11347－89相同。

5．2 評價結(jié)果

表2給出了4個軸承座三個方向及附近樓板垂直方向振動烈度的測量結(jié)果，并對調(diào)速器調(diào)整前后的測量結(jié)果進(jìn)行了對比。

表2 振動烈度的測試結(jié)果及對比（RMS：mm／s）

由表2可以看出，調(diào)速器的調(diào)整對降低整個提升設(shè)備和附近樓板的振動水平效果明顯。從調(diào)整后的運行狀態(tài)來看，4個軸承座振動烈度的最大值都小于有關(guān)規(guī)范的限值，表明整個提升系統(tǒng)的運行狀態(tài)良好?？紤]到各測點的振動響應(yīng)出現(xiàn)了短時間出現(xiàn)了最大峰值（如圖8所示的4＃測點樓板的振動時域曲線），但測試信號中出現(xiàn)大峰值所占的時間比例很小，對整個振動烈度的水平影響不大。綜合來講，根據(jù)建議的標(biāo)準(zhǔn)，所有測點的最大振動烈度都小于4．6mm／s，認(rèn)為機(jī)器可以長期運行。

圖8 4＃測點樓板垂直方向速度時程圖

6 結(jié) 論

本文以臨渙煤礦的采煤主井為研究對象，通過對各測點的振動信號進(jìn)行幅值域、時域、頻域的綜合分析和譜陣分析，獲得了提升設(shè)備振動的主頻信息，合理地對提升系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行了評價。由譜陣曲線確定的傳動系統(tǒng)齒輪嚙合頻率與理論值吻合較好，并由此找出了導(dǎo)致提升設(shè)備振動的主要原因。經(jīng)過對調(diào)速器傳動系統(tǒng)的調(diào)整，有效地降低了整個提升系統(tǒng)的振動水平。本文的研究結(jié)果表明，采用頻譜分析和譜陣分析相結(jié)合的方法，對于確定旋轉(zhuǎn)設(shè)備動力響應(yīng)中的主振頻率，識別傳動裝置中的故障信息是十分有效的。

煤礦提升系統(tǒng)振動狀態(tài)的監(jiān)測是評價該設(shè)備能否長期安全可靠運行的重要手段。然而，只根據(jù)某一次在正常運行條件下的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對于這種長期連續(xù)運行的設(shè)備，必須在設(shè)備安全監(jiān)測制度中加入對提升系統(tǒng)（包括電機(jī)和調(diào)速器）的定期檢測要求，配置振動烈度在線監(jiān)測系統(tǒng)，或由巡檢人員用手持式振動測量儀定期測量和記錄，建立測試結(jié)果的數(shù)據(jù)庫，并及時分析趨勢變化，以判斷是否需要采取維護(hù)措施。

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