武彥軍

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司曙光煤礦，山西 孝義 032300）

0 引言

提升機(jī)是礦井主要運(yùn)輸設(shè)備之一，主要用于人員、物料及原煤等運(yùn)輸，提升機(jī)運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性會(huì)直接給煤炭生產(chǎn)工作帶來影響[1-2]。提升機(jī)主要組成單元包括滾筒、齒輪箱、電動(dòng)機(jī)以及鋼絲繩等，設(shè)備運(yùn)行過程中難以避免會(huì)出現(xiàn)各類故障[3]。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)提升機(jī)故障診斷技術(shù)進(jìn)行研究，其中喬國(guó)厚[4]提出采集、分析提升機(jī)振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)故障定位以及診斷；陳瑩瑩和張曉光[5]綜合故障診斷技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建提升機(jī)故障在線診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提升機(jī)運(yùn)行情況，自行對(duì)故障進(jìn)行診斷、預(yù)警，以便達(dá)到增強(qiáng)提升機(jī)運(yùn)行可靠性目的。上述研究成果在一定程度上豐富了提升機(jī)故障診斷成果，并為提升機(jī)故障診斷工作開展提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。文中就以山西某礦副斜井使用的提升機(jī)為工程研究對(duì)象，對(duì)提升機(jī)運(yùn)行期間常見故障類型進(jìn)行歸納總結(jié)，并提出一種故障在線診斷系統(tǒng)，以期在一定程度增強(qiáng)提升機(jī)運(yùn)行可靠性及效率。

1 副斜井提升機(jī)結(jié)構(gòu)及常見故障類型分析

1.1 提升機(jī)結(jié)構(gòu)

山西某礦現(xiàn)階段主采5號(hào)煤層，設(shè)計(jì)產(chǎn)能280 萬t/a，開采范圍內(nèi)3 號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，厚度均值3.9 m，頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、泥巖及碳質(zhì)泥巖為主。礦井采用立井+斜井開拓方式，井底車場(chǎng)布置在3 號(hào)煤層中，副斜井設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱型，凈面積為28.9 m2，巷道斜長(zhǎng)536 m，傾角15°～20°。副斜井采用的提升機(jī)為JK-3×2.9P，提升機(jī)運(yùn)行采用變頻控制，最大運(yùn)行速度3.0 m/s，提升鋼絲繩直徑34 mm、驅(qū)動(dòng)電機(jī)為YPY500-10 型，減速度為NBD900 型、減速比30，滾筒直徑3000 mm，副斜井主要用以進(jìn)風(fēng)、行人以及設(shè)備、材料運(yùn)輸。

1.2 提升機(jī)常見故障分析

副井提升機(jī)平均煤炭需要提升超過30 趟，對(duì)提升機(jī)為期12 個(gè)月監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行期間主要故障位置出現(xiàn)在齒輪箱、電動(dòng)機(jī)、鋼絲繩以及滾筒等位置，具體故障類型占比如圖1 所示。

圖1 提升機(jī)常見故障類型

1）齒輪箱故障。齒輪箱故障占比約為54%。齒輪箱是提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，出現(xiàn)故障后會(huì)直接影響提升機(jī)運(yùn)行。歸結(jié)起來齒輪箱故障原因包括潤(rùn)滑油溫度偏高；滲漏油，主要出現(xiàn)在內(nèi)齒圈或者箱體結(jié)合面位置；軸承損壞，多是由于軸承溫度偏高、潤(rùn)滑油雜質(zhì)偏多等導(dǎo)致；齒面損壞，表明類型主要為點(diǎn)蝕、齒輪表面被壓碎、齒面脫落等；齒面折斷。由于齒輪箱為密閉結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)肉眼往往難以直觀發(fā)現(xiàn)，齒輪箱故障時(shí)往往伴隨有異常振動(dòng)，因此可監(jiān)測(cè)齒輪箱振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)故障診斷。

2）電動(dòng)機(jī)故障。結(jié)合提升機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果以及相關(guān)研究成果，歸結(jié)的電動(dòng)機(jī)故障類型包括定子運(yùn)行異常、轉(zhuǎn)子導(dǎo)體運(yùn)行異常、電機(jī)氣隙不均衡、轉(zhuǎn)子不平衡等。電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障后會(huì)伴隨有溫度增高、異常振動(dòng)以及噪聲等，因此通過監(jiān)測(cè)溫度、振動(dòng)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)故障診斷。

3）滾筒故障。提升機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)包括主軸、軸承以及卷筒等，副斜井布置的JK-3.0×2.2P 提升機(jī)為單滾筒類型，常見的滾筒故障類型包括滾筒裂隙（開裂或者開焊）、偏斜等。

4）鋼絲繩故障。鋼絲繩是提升機(jī)動(dòng)力傳遞設(shè)備，故障類型以斷絲、損壞等為主，副斜井提升機(jī)配備有無損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)鋼絲繩故障實(shí)時(shí)診斷。

提升機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障后，表現(xiàn)特征為局部溫度增高、異常振動(dòng)等，因此通過監(jiān)測(cè)提升機(jī)關(guān)鍵部件溫度、振動(dòng)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)故障診斷以及預(yù)警。

2 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 故障診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

具體構(gòu)建的副斜井提升機(jī)故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷中心、監(jiān)測(cè)傳感器、PLC 控制器、上位機(jī)、聲光報(bào)警裝置、工業(yè)以太網(wǎng)以及上位機(jī)等。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷中心設(shè)備包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、工控機(jī)等，負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以及智能分析，實(shí)現(xiàn)故障診斷以及預(yù)警；PLC 控制器用以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理并將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷中心，并接收相關(guān)控制指令實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作；井下上位機(jī)用以顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及故障預(yù)警，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作；傳感器包括有振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6-8]。

圖2 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 監(jiān)測(cè)傳感器布置

故障診斷主要通過電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、減速器以及天輪等設(shè)備溫度、振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，具體滾筒、減速度、天輪以及電動(dòng)機(jī)等位置采用振動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)；滾筒偏移量通過位移傳感器監(jiān)測(cè)；碟簧壓力采用壓力傳感器監(jiān)測(cè)。具體采用的傳感器類型如表1 所示。

表1 傳感器類型

傳感器監(jiān)測(cè)參數(shù)是提升機(jī)故障診斷基礎(chǔ)，合理的選擇傳感器位置及類型可提高監(jiān)測(cè)精度及可靠性。具體傳感器布置要求為：傳感器布置位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電磁干擾區(qū)或者對(duì)工作影響有顯著影響區(qū)域；布置應(yīng)盡可能靠近高溫點(diǎn)或者異常診斷點(diǎn)，以便提高監(jiān)測(cè)精度；布置位置應(yīng)有足夠剛度及強(qiáng)度，避免傳感器出現(xiàn)掉落。依據(jù)副斜井提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)情況，具體提升機(jī)上各傳感器布置位置如圖3 所示。同時(shí)布置振動(dòng)及溫度傳感器位置包括有1～9 號(hào)位置、14 號(hào)位置、17 號(hào)位置以及20 號(hào)位置，同時(shí)布置壓力、位移傳感器位置包括有10～13 號(hào)位置、15～16 號(hào)位置、18～19 號(hào)位置等。

圖3 故障診斷系統(tǒng)中傳感器布置示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

將故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用到副斜井提升機(jī)中，并按照預(yù)先設(shè)定方案在提升機(jī)各位置布置監(jiān)測(cè)傳感器，并經(jīng)過為期30 d 調(diào)試，故障診斷系統(tǒng)可平穩(wěn)運(yùn)行。故障診斷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)提升機(jī)各關(guān)鍵位置溫度、振動(dòng)信號(hào)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過內(nèi)置智能算法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析以及故障預(yù)警。具體在天輪處振動(dòng)傳感器部分振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

將振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)獲取得到的峭度值、歪斜度以及峰值等均在合理范圍內(nèi)，未有異常情況發(fā)生，表明期間天輪處于完好狀態(tài)。故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用期間，各組成部件以及傳感器等均可平穩(wěn)運(yùn)行，在2021 年10 月12 日早班期間，布置在電動(dòng)機(jī)位置的溫度傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果異常，現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)有燒毀征兆，有經(jīng)過維護(hù)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，文中提出的提升機(jī)故障診斷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、診斷，在一定程度增強(qiáng)提升機(jī)運(yùn)行可靠性以及故障防治能力。

4 結(jié)論

1）對(duì)山西某礦副斜井提升機(jī)常見故障類型進(jìn)行分析，并對(duì)電機(jī)、齒輪箱、滾筒以及鋼絲繩等故障特點(diǎn)及原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)提升機(jī)各組成部件故障時(shí)往往伴隨有異常振動(dòng)、高溫等。

2）依據(jù)提升機(jī)故障特點(diǎn)構(gòu)建故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依靠溫度、診斷傳感器等對(duì)提升機(jī)各組成部件進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障診斷中心對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，從而實(shí)現(xiàn)故障類型以及位置診斷。

3）對(duì)故障診斷系統(tǒng)中傳感器布置位置進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，故障診斷系統(tǒng)各部件均平穩(wěn)運(yùn)行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障征兆（表現(xiàn)為溫度升高、偏移量偏大以及振動(dòng)參數(shù)異常等）時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，從而便于先關(guān)人員及時(shí)處理，達(dá)到增強(qiáng)提升機(jī)運(yùn)行可靠性目的。