尚雙貴

(山西華鹿陽(yáng)坡泉煤礦，山西 忻州 036504)

煤炭是我國(guó)重要能源，90%的煤炭來自井工開采。煤礦提升機(jī)作為重要設(shè)備，擔(dān)負(fù)著煤礦煤炭、設(shè)備、材料、人員的提升人物，是礦井的“咽喉”?，F(xiàn)有提升機(jī)主要有3種：多繩纏繞、多繩摩擦和單繩纏繞。天輪作為提升機(jī)重要部分，擔(dān)負(fù)著提升機(jī)的傳遞載荷和動(dòng)力。天輪主要由軸承座、軸承、天輪輪體、整體天輪輪轂和耐磨襯墊組成。如果天輪不能安全運(yùn)行，會(huì)嚴(yán)重影響礦井的安全提升。目前，天輪的噪聲治理和更換研究主要是天輪的噪聲治理、天輪平移處理和天輪的磨損處理。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)煤礦提升機(jī)天輪故障分析及監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行諸多研究，天輪的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括軟件部分和硬件部分，軟件部分主要有集成測(cè)試、部分開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)；硬件系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)設(shè)備、信號(hào)調(diào)理電路、采集卡和傳感器等構(gòu)成。

現(xiàn)有天輪監(jiān)測(cè)研究存在的主要問題[1-3]：①天輪監(jiān)測(cè)研究多為天輪振動(dòng)對(duì)鋼絲繩的影響，并且采集的信號(hào)多為鋼絲繩的，缺少專門針對(duì)天輪的采集信號(hào)的診斷研究；②天輪監(jiān)測(cè)研究多對(duì)軸承進(jìn)行診斷，不能夠很好適應(yīng)天輪的診斷；③缺少對(duì)天輪整個(gè)系統(tǒng)的研究。鑒于此，本文研究了煤礦提升機(jī)天輪故障分析及監(jiān)測(cè)方法，研究為煤礦的安全提升提供了技術(shù)支持。

1 煤礦提升機(jī)天輪故障分析

本文采用故障樹對(duì)煤礦提升機(jī)天輪故障進(jìn)行分析，一般流程為確定頂事件→建立故障樹→簡(jiǎn)化故障樹→定性分析。其優(yōu)點(diǎn)：①天輪各部件故障與天輪的系統(tǒng)故障，可依靠故障樹進(jìn)行連接，根據(jù)故障樹可以得到造成天輪故障的最根本原因(天輪故障的最小割集)，根據(jù)天輪故障的最根本原因，可以對(duì)天輪進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；②利用故障樹方法，可以清晰地利用圖形來表示煤礦天輪系統(tǒng)的相關(guān)故障機(jī)理，從而便于了解某故障狀態(tài)發(fā)生原因[4-6]。

本文主要對(duì)多繩纏繞式礦井的天輪常見故障進(jìn)行分析，并建立故障樹。天輪故障為故障樹的頂事件；軸承故障、偏擺過大、噪聲過大、天輪井架傾斜為故障樹的基本事件；鋼絲繩受力不均勻、變形、斷裂、外力沖擊、磨損、罐道偏移、安裝不正、工藝缺陷為故障樹的基本子事件。煤礦提升機(jī)天輪故障樹如圖1所示。

圖1 煤礦提升機(jī)天輪故障樹Fig.1 Fault tree of mine hoist head sheave

建立煤礦提升機(jī)天輪故障樹后，需要對(duì)故障樹進(jìn)行定量、定性分析。輪故障樹的定量、定性分析主要包括：①采用結(jié)構(gòu)重要度判定法，對(duì)煤礦提升機(jī)天輪各個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)的重要度進(jìn)行判定；②采用布爾代數(shù)法，簡(jiǎn)化煤礦提升機(jī)天輪故障樹，得到了天輪故障樹的最小割集；③根據(jù)煤礦提升機(jī)天輪故障樹的最小割集，分析預(yù)防天輪故障發(fā)生方法。

通過對(duì)建立天輪故障樹的定性分析，得到導(dǎo)致煤礦提升機(jī)天輪故障的最小割集{鋼絲繩受力不均勻}、{變形}、{斷裂}、{軸瓦疲勞脫落}、{磨損}、{罐道偏移}、{安裝不正}。在充分了解故障的基礎(chǔ)上，確定3種故障特征：①軸承故障導(dǎo)致的天輪噪聲過大；②井架安裝不正導(dǎo)致的井架傾斜；③天輪安裝不正導(dǎo)致的天輪偏擺過大。

2 煤礦提升機(jī)振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)

本文主要是在煤礦提升機(jī)天輪3個(gè)方向安裝加速度傳感器，對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，得到更精確的天輪振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)。主要研究2部分：①對(duì)提升機(jī)天輪的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并構(gòu)建系統(tǒng)的軟、硬件部分；②對(duì)采集的天輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理[7-10]。

2.1 天輪運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

本文采用DH5922D動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)分析儀對(duì)天輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該裝置利用計(jì)算機(jī)、交換機(jī)擴(kuò)展就能實(shí)現(xiàn)多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)試和分析，采用千兆以太網(wǎng)通訊，有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)，最高采樣速率達(dá)到256 kHz/通道，穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，具有現(xiàn)場(chǎng)通道自檢功能、TEDS功能，同時(shí)還可以無間斷記錄所有通道信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電流、溫度、電荷等信號(hào)的測(cè)量。DH5922D動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)分析儀工作原理如圖2所示。

圖2 DH5922D動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)分析儀工作原理Fig.2 Working principle of DH5922D dynamic test signal analyzer

DH5922D動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)分析儀相關(guān)技術(shù)指標(biāo)：支持調(diào)理器類型為溫度調(diào)理器、電流調(diào)理器、電荷調(diào)理器；供電方式為10～36 V DC或220 V AC；通訊方式為USB3.0接口或千兆以太網(wǎng)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器為每通道獨(dú)立24位A/D轉(zhuǎn)換器；連續(xù)采樣速率為32通道以上，采用速率最高達(dá)128 kHz/通道，32通道同時(shí)步，采用速率最高達(dá)256 kHz/通道；通道數(shù)為4通道/卡，可擴(kuò)展1 000通道，單機(jī)箱最多64通道或32通道。

本文采用單獨(dú)的激光位移傳感器和三通的加速度傳感器，來監(jiān)測(cè)天輪的實(shí)時(shí)狀態(tài)，其安裝示意如圖3所示。激光位移傳感器采用24 V的電源進(jìn)行供電。

圖3 激光位移傳感器和加速度傳感器安裝示意Fig.3 Installation instructions for laser displacement sensor and acceleration sensor

當(dāng)煤礦提升機(jī)的提升速度為0.3 m/s時(shí)，采用DHDAS分析系統(tǒng)，得到了天輪振動(dòng)信號(hào)如圖4所示。

圖4 天輪振動(dòng)信號(hào)Fig.4 Vibration signal of head sheave

2.2 信號(hào)處理

根據(jù)圖4實(shí)測(cè)分析可知，天輪的振動(dòng)信號(hào)存在很多噪聲，致使數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，本文采用小波閾值去噪方法，去除天輪振動(dòng)信號(hào)的干擾噪聲。利用天輪振動(dòng)信號(hào)的處理，得到天輪振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)信息，如天輪加速度的峰度、偏度、峰峰值、均方根值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均值、最小值、最大值。根據(jù)這些提取信息對(duì)天輪進(jìn)行診斷。基于小波閾值的天輪振動(dòng)信號(hào)去噪過程如圖5所示。

圖5 基于小波閾值的天輪振動(dòng)信號(hào)去噪過程Fig.5 De-noising process of head sheave vibration signal based on wavelet threshold

利用小波去噪方法對(duì)圖4進(jìn)行處理，本文將高頻段濾去，僅考慮低頻段信號(hào)，濾波后的天輪振動(dòng)信號(hào)如圖6所示。由圖6可知，小波去噪方法能夠有效去除振動(dòng)信號(hào)的噪聲。

圖6 濾波后的天輪振動(dòng)信號(hào)Fig.6 Filtered vibration signal of the head sheave

3 結(jié)論

(1)本文采用故障樹對(duì)煤礦提升機(jī)天輪故障進(jìn)行分析，天輪故障為故障樹的頂事件；軸承故障、偏擺過大、噪聲過大、天輪井架傾斜為故障樹的基本事件；鋼絲繩受力不均勻、變形、斷裂、外力沖擊、磨損、罐道偏移、安裝不正、工藝缺陷為故障樹的基本子事件。確定了3種故障特征：①軸承故障導(dǎo)致的天輪噪聲過大；②井架安裝不正導(dǎo)致的井架傾斜；③天輪安裝不正導(dǎo)致的天輪偏擺過大。

(2)對(duì)煤礦提升機(jī)振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)方法的研究，主要是對(duì)提升機(jī)天輪的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并構(gòu)建系統(tǒng)的軟、硬件部分；對(duì)采集的提升機(jī)天輪振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。