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        主副井絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)研究

        2022-08-10 08:46:14孫愛(ài)東田錦釗
        山東煤炭科技 2022年7期
        關(guān)鍵詞:副井絞車(chē)軸承

        孫愛(ài)東 田錦釗 李 廣

        (1.山東能源集團(tuán)西北礦業(yè)有限公司,陜西 西安 170000;2.山東能源集團(tuán)西北礦業(yè)有限公司雙欣礦業(yè),內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

        1 項(xiàng)目實(shí)施背景

        岱莊煤礦主副井提升機(jī)選用落地式多繩摩擦輪提升機(jī)。該礦主副井提升機(jī)在原設(shè)計(jì)中,其電機(jī)軸承處缺少振動(dòng)及溫度監(jiān)測(cè)裝置,提升機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中一直采用人工巡檢測(cè)量方式檢測(cè)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),依靠檢查人員耳聽(tīng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng),平時(shí)只能依據(jù)檢查人員的經(jīng)驗(yàn)判斷軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),并且需要定期拆卸,查看軸承的磨損情況。這種方式不僅浪費(fèi)了人力物力,而且人工巡檢具有很大的不確定性,又不能保證其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性,不能實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)提升機(jī)電機(jī)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和完成軸承故障預(yù)警的功能,這樣必將嚴(yán)重制約礦井安全與生產(chǎn)。特別是天輪軸承系統(tǒng)的檢查,位置高,滾動(dòng)軸承數(shù)量多,嚴(yán)重危及巡檢人員生命安全。

        主副井絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)軸承系統(tǒng)故障特征分量(振動(dòng)和溫度)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控,對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備故障提前預(yù)警并做出診斷,可以有效避免重大事故的發(fā)生,減少維修費(fèi)用,提高煤礦設(shè)備管理水平[1-5]。該系統(tǒng)既克服了目前人工巡檢數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低、周期過(guò)長(zhǎng)、連續(xù)性差和無(wú)法實(shí)現(xiàn)絞車(chē)軸承故障預(yù)警的問(wèn)題,還可以實(shí)現(xiàn)分站無(wú)線(xiàn)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),傳送至上位機(jī)后還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、診斷,對(duì)于煤礦主副井絞車(chē)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及煤礦高效安全生產(chǎn)有重要意義。

        2 方案的設(shè)計(jì)與確定

        從軸承監(jiān)測(cè)和故障診斷的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,研究以計(jì)算機(jī)分析為基礎(chǔ)的在線(xiàn)軸承振動(dòng)、溫度監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警是主要研究趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,將以滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警為研究對(duì)象,研究一種基于嵌入式系統(tǒng)對(duì)滾動(dòng)軸承的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與根據(jù)振動(dòng)信號(hào)故障精密診斷的方法,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦主副井絞車(chē)軸承的全方位保護(hù)。

        針對(duì)主副井絞車(chē)房中的電機(jī)、聯(lián)軸器和滾筒軸承,配合有線(xiàn)振動(dòng)傳感器和溫度傳感器,選取合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)和溫度監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)般分三個(gè)方向,即水平方向X、垂直方向Y 和軸向方向Z。水平徑向測(cè)點(diǎn)通常選在軸中心高度處,各測(cè)點(diǎn)互相垂直安裝,這是因?yàn)椴煌墓收戏从吃诓煌臏y(cè)量方向上,如:不平衡多反映在水平方向上,松動(dòng)在垂直方向,軸向躥動(dòng)則在軸向比較強(qiáng)。對(duì)于天輪軸承系統(tǒng)的檢查,位置高,滾動(dòng)軸承數(shù)量多,布線(xiàn)困難。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)振動(dòng)傳感器有單軸、雙軸和三軸,但是他們只提供時(shí)域信號(hào),基于時(shí)間的分析會(huì)產(chǎn)生一個(gè)綜合所有這些振動(dòng)源的復(fù)雜波形。該信號(hào)在上位機(jī)上通過(guò)專(zhuān)門(mén)軟件進(jìn)行頻域分析,這不僅使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和同步性毫無(wú)可能,而且將大部分額外設(shè)計(jì)工作推給了設(shè)備開(kāi)發(fā)商,降低了上位機(jī)的工作效率,保證不了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,增加了編程的難度,延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期。

        最終確定本系統(tǒng)由溫度傳感器、振動(dòng)傳感器和分析儀器、可編程序控制器等幾個(gè)部分組成,從全局控制策略角度,應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)以及故障診斷和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù),研制一套主副井絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)。

        3 系統(tǒng)的構(gòu)成

        主副井絞車(chē)房?jī)?nèi)的提升設(shè)備的軸承監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC、觸摸屏及監(jiān)控軟件組合設(shè)計(jì),使用有線(xiàn)振動(dòng)和溫度傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)后軸軸承振動(dòng)(包括X 方向、Y 方向、Z 方向)、滾筒后軸軸承振動(dòng)(包括X 方向、Y 方向)、溫度(包括電機(jī)后軸軸承、滾筒后軸軸承)的連續(xù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。對(duì)于天輪軸承的振動(dòng)溫度監(jiān)測(cè),使用無(wú)線(xiàn)振動(dòng)溫度一體化傳感器配合無(wú)線(xiàn)基站,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并且運(yùn)行時(shí)可直接查看振動(dòng)的頻譜,具有完備的報(bào)警顯示功能,可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大、振動(dòng)異常、軸承溫度過(guò)高報(bào)警等等,給提升設(shè)備的維護(hù)提供參考,帶來(lái)了極大的方便,提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和人性化的水平,減少了人員巡檢工作量,改善工人工作環(huán)境。

        3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        主副井絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1。

        圖1 主副井絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

        針對(duì)天輪軸承,由于其位置高,不宜布線(xiàn),采用無(wú)線(xiàn)振動(dòng)溫度一體化傳感器進(jìn)行振動(dòng)和溫度監(jiān)測(cè),并且可以同時(shí)監(jiān)測(cè)三軸的振動(dòng)變化,減少傳感器的數(shù)量。無(wú)線(xiàn)振動(dòng)傳感器與無(wú)線(xiàn)基站之間采用2.4 GHz 的射頻進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊,通訊距離可達(dá)100 m。無(wú)線(xiàn)基站通過(guò)自帶的網(wǎng)絡(luò)模塊接入地面工業(yè)以太網(wǎng),遠(yuǎn)端的地面監(jiān)控主機(jī)通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)的IP 可以實(shí)現(xiàn)與無(wú)線(xiàn)基站的通訊,其結(jié)構(gòu)圖示意如圖2。

        圖2 天輪軸承振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)圖

        現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制層是由主副井絞車(chē)房的溫度檢測(cè)變送器、振動(dòng)分析儀器、PLC 控制柜(分站)、模擬量輸入模塊、以太網(wǎng)模塊等部件組成。振動(dòng)和溫度傳感器實(shí)時(shí)采集振動(dòng)和溫度信號(hào),PLC 模塊接受來(lái)自傳感器輸出的信號(hào),送至上位機(jī)的專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,進(jìn)行故障診斷與預(yù)測(cè)分析。

        3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        作為整個(gè)系統(tǒng)的一部分,軟件的設(shè)計(jì)具有極其重要的地位。本設(shè)計(jì)的軟件部分由以下幾部分組成:計(jì)算機(jī)管理子系統(tǒng)、上下位機(jī)通信子系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)振動(dòng)溫度一體化傳感器軟件系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)基站軟件系統(tǒng)等。

        本系統(tǒng)組態(tài)軟件主要用來(lái)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測(cè)。另外,輔助以SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和基于VB 的信號(hào)頻譜分析軟件,對(duì)采集到的振動(dòng)、溫度等信號(hào)進(jìn)一步分析,并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。主副井絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警控制流程如圖3。

        圖3 主副井絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警控制流程圖

        對(duì)于天輪軸承無(wú)線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè),無(wú)線(xiàn)基站與無(wú)線(xiàn)振動(dòng)傳感器的軟件流程如圖4。上位機(jī)通過(guò)串口與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)連接,發(fā)送初始化命令和查詢(xún)數(shù)據(jù)指令,流程如圖4(a)所示。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)將收到的上位機(jī)指令轉(zhuǎn)發(fā)給安放在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)傳感器。無(wú)線(xiàn)傳感器程序是在IAR 的環(huán)境下編譯并調(diào)試通過(guò)的,采用C 語(yǔ)言編程,無(wú)線(xiàn)傳感器程序主要是根據(jù)接收到的上位機(jī)控制指令來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作,并把采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),主程序流程如圖4(b)所示。

        圖4 程序流程圖

        4 系統(tǒng)創(chuàng)新性

        (1)將專(zhuān)家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合,把智能控制理論中先進(jìn)控制理論方法引入到實(shí)際的絞車(chē)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中,并進(jìn)行建模與仿真。

        (2)直接對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析,采用共振解調(diào)法結(jié)合頻譜圖的頻率結(jié)構(gòu)和差頻分析,對(duì)軸承早期故障進(jìn)行精密診斷。

        (3)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的嵌入式微控制器,采用雙層結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì),集信號(hào)采集、處理、信號(hào)分析和通訊于一體。在此基礎(chǔ)上通過(guò)上層處理軟件完成對(duì)故障信號(hào)類(lèi)型和程度解析,從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)的準(zhǔn)確辨識(shí)。

        (4)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車(chē)軸承的全方位監(jiān)測(cè)與保護(hù)。

        (5)設(shè)計(jì)一套絞車(chē)軸承運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊,將實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上位機(jī)的無(wú)線(xiàn)通訊,以提高監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性。

        5 效果分析

        5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

        (1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后,早期預(yù)警減少軸承系統(tǒng)故障損失。對(duì)于岱莊煤礦主副井絞車(chē),若每年用于軸承系統(tǒng)檢查或軸承系統(tǒng)突然故障造成停止提升的時(shí)間為10 h,按年產(chǎn)量240 萬(wàn)t,每噸價(jià)格600元,每年減少直接經(jīng)濟(jì)損失:(240×600×10)÷8760=165 萬(wàn)元。

        (2) 精簡(jiǎn)維檢人員,減少工資開(kāi)支。由于項(xiàng)目軸承監(jiān)測(cè)與預(yù)警數(shù)據(jù)采用自動(dòng)采集系統(tǒng),并且實(shí)時(shí)顯示,不但檢測(cè)的準(zhǔn)確率是人工巡查無(wú)法比擬的,而且省掉了至少3 個(gè)巡查工人,以年工資9 萬(wàn)元記,每年可以節(jié)省人工費(fèi)27 萬(wàn)元。

        每年創(chuàng)效:165+27=192 萬(wàn)元。

        5.2 社會(huì)效益分析

        采用溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng),由于檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確率高,大大降低了煤礦的安全隱患,為煤礦安全高效生產(chǎn)做出巨大的貢獻(xiàn)。系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承系統(tǒng)故障特征分量(振動(dòng)和溫度)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控,對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備故障提前預(yù)警并做出診斷,可以有效避免重大事故的發(fā)生,減少維修費(fèi)用,提高煤礦設(shè)備管理水平,社會(huì)效益顯著。

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