郭 鋒，馬 馳

1山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)寧 273100 2中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 江蘇徐州 221008

天 輪是多繩摩擦提升系統(tǒng)的重要組成部件，直接關(guān)系到提升系統(tǒng)的安全[1]，在當(dāng)前開采深度日益加大的形勢下尤為重要。以天輪偏擺為例，嚴(yán)重的天輪偏擺會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩弦振動(dòng)異常，危及提升安全。

1 天輪故障分析

繩弦的強(qiáng)迫振動(dòng)示意如圖 1 所示。在天輪周期性偏擺的激勵(lì)下，繩弦在不同位置、不同時(shí)間的位移響應(yīng)可表示為

式中：y(x，t)為繩弦在位置x、時(shí)間t的位移響應(yīng)；ω i為鋼絲繩的固有頻率；A為激勵(lì)的位移幅值；ω為激勵(lì)頻率；L為繩弦的長度。

圖1 繩弦的強(qiáng)迫振動(dòng)示意

當(dāng)繩弦的振幅過大時(shí)，可能造成相鄰兩根鋼絲繩之間出現(xiàn)碰擦[2]。此外，長期工作在交變重載下的軸承若出現(xiàn)外環(huán)、內(nèi)環(huán)、滾動(dòng)體等故障，也會(huì)對提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此天輪的運(yùn)行狀態(tài)檢測和健康狀態(tài)評(píng)價(jià)是非常必要的。

2 天輪狀態(tài)測試系統(tǒng)構(gòu)建

筆者以某煤礦 2 號(hào)主井落地式多繩摩擦提升系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)在過去一段時(shí)間曾出現(xiàn)過繩弦振動(dòng)和天輪繩槽磨損加劇的情況，天輪更換頻率亦高于往常，在很大程度上已經(jīng)威脅到提升作業(yè)的安全性。該天輪相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。為準(zhǔn)確掌握和分析天輪狀態(tài)，筆者構(gòu)建了如圖 2 所示的天輪狀態(tài)測試系統(tǒng)[3]。采用激光式位移傳感器采集天輪的偏擺信號(hào)；采用振動(dòng)加速度傳感器采集軸承座振動(dòng)信號(hào)。偏擺信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)經(jīng)由基于 USB 總線的采集卡獲取并傳輸至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的后續(xù)處理和分析。

表1 天輪技術(shù)參數(shù)

圖2 天輪狀態(tài)測試系統(tǒng)硬件構(gòu)架

偏擺激光位移傳感器的安裝如圖 3 所示，采用可調(diào)節(jié)式儀器表安裝激光位移傳感器。儀器表座通過磁性吸座固定于天輪平臺(tái)，通過加長桿和連接桿的適當(dāng)調(diào)節(jié)使激光位移傳感器的工作面平行并靠近天輪輪邊。振動(dòng)傳感器的安裝也采用磁吸方式，其動(dòng)態(tài)特性可以滿足本測試任務(wù)的要求。

圖3 激光位移傳感器的安裝

3 測試結(jié)果與分析

測試系統(tǒng)構(gòu)建完畢后，現(xiàn)場采集信號(hào)。由于在不同工況下天輪的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)有所不同，因此在偏擺和振動(dòng)信號(hào)的采集過程中應(yīng)以運(yùn)行速度、載荷、上提和下放等工況加以區(qū)分。圖 4、5 所示為所采集到的 1 號(hào)天輪偏擺的時(shí)域和頻域信號(hào)，對應(yīng)工況為上提重載，運(yùn)行速度為 9 m/s。時(shí)域中信號(hào)的起始段和結(jié)尾部分對應(yīng)提升機(jī)運(yùn)行的加速和減速階段，中間區(qū)域?yàn)榈人龠\(yùn)行階段。選取該勻速段進(jìn)行信號(hào)的處理與分析。在時(shí)域中對天輪偏擺進(jìn)行計(jì)算，得到其偏擺為 4 mm。再觀察頻域信號(hào)，發(fā)現(xiàn)其主要頻率成分為 0.64、1.28、1.92 Hz，對應(yīng)幅值大小分別為 0.65、0.67 和 0.44 mm。

圖4 1 號(hào)天輪偏擺時(shí)域信號(hào)

圖5 1 號(hào)天輪偏擺頻域信號(hào)

圖6 左軸承座軸向振動(dòng)加速度時(shí)域信號(hào)

圖7 左軸承座軸向振動(dòng)加速度頻域信號(hào)

測取的左側(cè)軸承座軸向振動(dòng)信號(hào)如圖 6、7 所示，分別為其時(shí)域和頻域的波形。圖 6 振動(dòng)時(shí)域信號(hào)中包含了加速、等速、減速等階段。圖 7 為等速階段頻譜分析的情況，可見該處的振動(dòng)加速度幅值較小，主要頻率成分為 1.77、3.84、5.12、6.37 和 18.57 Hz 等。

根據(jù)上述方法完成對全部天輪的偏擺和軸承座的振動(dòng)信號(hào)測試。依據(jù) 《煤礦礦井機(jī)電設(shè)備完好標(biāo)準(zhǔn)》，多繩摩擦提升天輪直徑為 4 m 時(shí)，要求軸向端面跳動(dòng)小于 4 mm。結(jié)合本次測試結(jié)果可知，上天輪的偏擺量均處于正常范圍，而下天輪中的 2 和 4 號(hào)偏擺量高達(dá) 7.5 和 15.5 mm，嚴(yán)重超出允許的范圍。從其頻譜中也不難發(fā)現(xiàn)，其 2 倍頻 1.28 Hz 已躍居為主要頻率成分，3 倍頻 1.92 Hz 處的幅值也已經(jīng)接近基頻 0.64 Hz。這些情況表明，下天輪已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的變形，而這也正是近段時(shí)間以來繩弦振動(dòng)顯著異常的根源，須進(jìn)行針對性的維修甚至更換，以消除其對提升安全構(gòu)成的威脅。因滾動(dòng)體在軸承內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)，軸承座處振動(dòng)信號(hào)的頻域成分 (見圖 7)比天輪 (見圖 5)更豐富，但其中尚未見突出的故障頻率成分。

4 結(jié)語

構(gòu)建了天輪狀態(tài)測試系統(tǒng)，獲取了天輪偏擺和軸承座振動(dòng)的時(shí)頻域信號(hào)。其中，通過對偏擺信號(hào)時(shí)頻域的分析發(fā)現(xiàn)下天輪的偏擺已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，變形明顯。正是在其激勵(lì)下，該提升系統(tǒng)的繩弦出現(xiàn)了異常振動(dòng)。可見，基于天輪狀態(tài)測試可以及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)故障，為提升系統(tǒng)的維修和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持，有利于保障提升作業(yè)的安全性。