宋俊斌

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002）

0 引 言

立井以及斜井開拓時(shí)，采用的提升機(jī)主要用以材料、設(shè)備、人員等運(yùn)輸，提升機(jī)會(huì)直接影響礦井生產(chǎn)效率[1-2]。國內(nèi)眾多工程技術(shù)人員及科研人員對(duì)提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)及故障診斷方面開展研究，其中陳瑩瑩等[3]基于計(jì)算機(jī)及故障診斷技術(shù)設(shè)計(jì)一種提升機(jī)故障在線診斷系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)以及運(yùn)行故障的自動(dòng)警報(bào)；喬國厚等[4]提出一種提升機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)、分析提升機(jī)振動(dòng)信號(hào)對(duì)運(yùn)行故障進(jìn)行識(shí)別。上述研究成果為提升機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)以及故障診斷系統(tǒng)研究提供一定經(jīng)驗(yàn)借鑒。本文以莒山礦副斜井提升機(jī)為研究對(duì)象，分析提升機(jī)運(yùn)行中故障類型并提出一種故障診斷系統(tǒng)，以期在一定程度上提升礦井提升機(jī)運(yùn)行保障能力。

1 副斜井提升機(jī)概況

莒山礦副斜井為半圓拱形斷面，坡度為20°，斜長共計(jì)508 m，采用的提升機(jī)型號(hào)為JK-3×2.2P，主要用以材料、設(shè)備等運(yùn)輸。滾筒直徑3 m，運(yùn)行速度最大3.03 m/s、采用1 根φ34 mm 鋼絲繩提升；電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YPT500-10，減速器型號(hào)為NBD900、減速比為30。

提升機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、滾筒、天輪、減速器等結(jié)構(gòu)組成的大型提升設(shè)備，在設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各類故障會(huì)制約提升機(jī)高效運(yùn)行。

2 提升機(jī)運(yùn)行故障分析

提升機(jī)在礦井二期工程施工期間投入使用，提升矸石和材料等，每天平均大約需提升60~70 趟，根據(jù)為期18 個(gè)月現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)提升機(jī)在運(yùn)行過程中主要故障類型有軸承及齒輪故障、電機(jī)故障以及滾筒故障等類型。具體監(jiān)測(cè)的各類型故障占比見圖1。

2.1 軸承及齒輪故障

軸承及齒輪提升機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零部件，其發(fā)生故障后會(huì)直接影響提升機(jī)運(yùn)行可靠性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)齒輪箱故障發(fā)生率最高、達(dá)到53%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)齒輪故障進(jìn)行歸納總結(jié)[5-6]：

1）潤滑油溫度過高，故障多出現(xiàn)在潤滑點(diǎn)位置，主要是潤滑油泄漏、供給布置等造成。

2）滲漏油，故障多發(fā)生在箱體結(jié)合面或者內(nèi)齒圈位置。

3）軸承損壞，主要是濾芯含雜質(zhì)量多，軸承溫度過高導(dǎo)致。

4）齒面疲勞，故障多表現(xiàn)為齒輪表面被壓碎、破壞性點(diǎn)蝕、齒面脫落。

5）齒輪折斷，對(duì)發(fā)生在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的小齒輪上，具體表現(xiàn)為斷口或斷齒。當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)溫度過高或者滲油等故障時(shí)，采用人工巡檢方式可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。箱體內(nèi)部齒輪出現(xiàn)故障時(shí)，由于齒輪在箱體內(nèi)部工作，往往無法直觀發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)軸承及齒輪出現(xiàn)故障時(shí)往往會(huì)伴隨異常振動(dòng)，具體齒輪故障異常振動(dòng)發(fā)生機(jī)理見圖2；因此，通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)是否出現(xiàn)此類故障進(jìn)行診斷。

圖2 異常振動(dòng)機(jī)理

2.2 提升機(jī)電動(dòng)機(jī)故障

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果以及以往研究成果，歸結(jié)提升機(jī)電動(dòng)機(jī)故障有以下幾類[7]：

1）定子運(yùn)行異常。主要原因包括有電動(dòng)機(jī)與底座間出現(xiàn)松動(dòng)、電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)共振；鐵芯、定子線圈松動(dòng)；定子三相磁場(chǎng)為不對(duì)稱的橢圓磁場(chǎng)。

2）電機(jī)氣隙不均衡。主要原因包括有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)氣隙不均衡。

3）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常有其自身特點(diǎn)：通過比對(duì)采變頻、基頻幅值可判定轉(zhuǎn)子導(dǎo)體故障嚴(yán)重程度；轉(zhuǎn)子導(dǎo)體故障產(chǎn)生的后異常振動(dòng)頻次與負(fù)荷正相關(guān)；轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常后往往會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)偏移以及電磁振動(dòng)等現(xiàn)象。

4）轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡后會(huì)異常振動(dòng)異常，具體特征為：轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)幅值較軸向幅值顯著增加；徑向振動(dòng)幅值與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。

2.3 滾筒以及鋼絲繩故障

滾筒結(jié)構(gòu)有軸承、主軸、卷筒等，具體JK-3.0×2.2P 提升機(jī)為單滾筒纏繞式。滾筒最為常見的故障為滾筒開裂以及開焊、偏斜等。滾筒開裂、開焊主要是由于滾筒本身強(qiáng)度不足造成，通過人工觀測(cè)方式即可發(fā)現(xiàn)故障；偏斜由于偏斜量較小，人工觀測(cè)方式難以發(fā)現(xiàn)，可通過布置位傳感器獲取滾筒位置、通過數(shù)據(jù)比對(duì)掌握滾筒是否出現(xiàn)偏斜。

鋼絲繩故障主要表現(xiàn)為斷絲、損傷等，現(xiàn)階段副斜井提升機(jī)已配備有鋼絲繩無線損傷探測(cè)系統(tǒng)，可及時(shí)掌握鋼絲繩運(yùn)行狀態(tài)[8]。

通過上述分析得知，當(dāng)提升機(jī)出現(xiàn)故障后最為顯著的特征即為：局部振動(dòng)異常、溫度升高。因此，可重點(diǎn)通過提升機(jī)關(guān)鍵零部件振動(dòng)、溫度情況對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障。

3 提升機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 故障診斷原理

故障診斷系統(tǒng)見圖3，包括傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡以及上位機(jī)等部分。可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示、監(jiān)測(cè)信息存儲(chǔ)以及故障預(yù)警等。基本原理為采用各類型傳感器獲取提升機(jī)關(guān)鍵部位設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)（工控機(jī)），上位機(jī)通功能模塊分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)故障診斷。

圖3 故障診斷系統(tǒng)

3.2 傳感器布置

故障診斷方案是監(jiān)測(cè)滾筒、天輪、電動(dòng)機(jī)以及減速器等振動(dòng)、溫度等監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)故障判定。具體為:通過振動(dòng)加速度傳感器來監(jiān)測(cè)滾筒、天輪、電動(dòng)機(jī)以及減速器等機(jī)械振動(dòng)；采用位移傳感器來監(jiān)測(cè)滾筒偏擺量、壓力傳感器監(jiān)測(cè)碟簧壓力。

傳感器是提升機(jī)故障診斷的一個(gè)重要組成，應(yīng)合理進(jìn)行位置選擇，具體安裝位置要求為：遠(yuǎn)離對(duì)傳感器工作性能有影響區(qū)域；布置位置盡可能靠近軸承等振動(dòng)異常點(diǎn)；選擇機(jī)械設(shè)備靈敏位置；布置位置應(yīng)有足夠剛度避免傳感器掉落。傳感器位置見圖4，壓力、位移傳感器均布置8 個(gè)，振動(dòng)、溫度傳感器均布置12個(gè)。在 1~9 號(hào)、14 號(hào)、17 號(hào)及 20 號(hào)位置均同時(shí)安裝溫度、振動(dòng)傳感器；在 10~13 號(hào)、15~16 號(hào)、18~19 號(hào)位置均同時(shí)安裝位移、壓力傳感器。

圖4 監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置

4 結(jié) 論

1）對(duì)莒山礦副斜井提升機(jī)運(yùn)行過程中存在的主要故障類型進(jìn)行歸納總結(jié)，并具體對(duì)軸承及齒輪故障、電動(dòng)機(jī)故障、滾筒及鋼絲繩故障原因、故障特點(diǎn)等進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)均有一定程度的異常振動(dòng)、高溫以及位置偏移等特點(diǎn)。

2）根據(jù)測(cè)獲取到的提升機(jī)故障特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種提升機(jī)故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過溫度、位移、壓力等傳感器監(jiān)測(cè)滾筒、天輪、電動(dòng)機(jī)以及減速器等關(guān)鍵零部件運(yùn)行情況，通過調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸、采用上位機(jī)對(duì)是否出現(xiàn)故障進(jìn)行診斷。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，故障診斷系統(tǒng)可對(duì)提升機(jī)各關(guān)鍵部件運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障征兆時(shí)（如溫度異常、位移異常時(shí)）會(huì)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，提醒值守人員及時(shí)處理，從而可在一定程度上提高提升機(jī)運(yùn)行可靠性及運(yùn)行效率。