＊趙艷鵬

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)泊里煤礦有限公司 山西 032700）

隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展，多繩摩擦式提升機(jī)作為重要的井下運(yùn)輸設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保障煤礦生產(chǎn)具有重要意義。但是目前多數(shù)企業(yè)仍然采用定期檢查和事后維修的方式，無(wú)法有效監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)和預(yù)測(cè)潛在故障，導(dǎo)致設(shè)備突發(fā)停工事故時(shí)有發(fā)生，影響生產(chǎn)效率。盡管個(gè)別企業(yè)開(kāi)始嘗試使用振動(dòng)、溫度等傳感器進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，但由于信號(hào)單一，分析方法基本依賴經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別與預(yù)警，技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平還有一定差距[1]。因此，本研究擬針對(duì)多繩摩擦式提升機(jī)關(guān)鍵部件天輪的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)一套集成多類智能分析與故障診斷的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)選擇合適的狀態(tài)檢測(cè)傳感器，采用模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的自動(dòng)評(píng)價(jià)與潛在故障的智能預(yù)測(cè)。

1.多繩摩擦式提升機(jī)天輪的結(jié)構(gòu)和工作原理

多繩摩擦式提升機(jī)天輪屬于提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的一部分，其主要作用在于改變鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)鼓之間的位置關(guān)系，使鋼絲繩得以不斷循環(huán)使用。從結(jié)構(gòu)上看，天輪由輪轂、輪輞和弧形槽組成，通常采用整體鑄造工藝或焊接工藝制成。工作時(shí)，多根平行設(shè)置的鋼絲繩圍繞輪轂纏繞2～3 周，并按照一定角度置入輪輞上的弧形槽內(nèi)[2]。

圖1 多繩摩擦式提升機(jī)天輪的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)提升機(jī)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)頭驅(qū)動(dòng)鼓高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼絲繩被拉動(dòng)滑動(dòng)，依靠與槽壁之間的摩擦力帶動(dòng)天輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)提升載荷向上運(yùn)動(dòng)。根據(jù)測(cè)試，在額定載荷下天輪轉(zhuǎn)速約為每分鐘28～32 轉(zhuǎn)。為提高驅(qū)動(dòng)效率，弧形槽的截面采用特殊工藝處理，保證其表面粗糙度Ra 約在6.3～8.0μm 之間。槽內(nèi)還預(yù)留有潤(rùn)滑油槽，并采用自動(dòng)或手動(dòng)方式進(jìn)行加油，以降低鋼絲繩與槽壁之間的摩擦系數(shù)，該摩擦系數(shù)測(cè)試值為0.085～0.108。此外，天輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中承受的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力分布區(qū)主要集中在輪輞與輪轂過(guò)渡位置，經(jīng)檢測(cè)該區(qū)域最大應(yīng)力峰值可達(dá)205 MPa，因此,天輪的關(guān)鍵部位經(jīng)過(guò)了相應(yīng)加固處理。

2.多繩摩擦式提升機(jī)天輪智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）傳感器選擇與安裝。多繩摩擦式提升機(jī)天輪智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心是選用合理的傳感器并正確安裝，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天輪的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)選擇采用應(yīng)變式變送器、振動(dòng)傳感器及溫度傳感器（因?yàn)檫@三類傳感器可以很好地檢測(cè)天輪的力學(xué)變形、機(jī)械振動(dòng)和熱異常情況，綜合反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與潛在故障），并優(yōu)化其在天輪體上的布置位置[3]。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)變式變送器安裝于輪輞與輪轂過(guò)渡位置的內(nèi)側(cè)，以監(jiān)測(cè)該高應(yīng)力區(qū)的變形量，傳感器測(cè)量范圍為±2000με，精度等級(jí)為0.5，輸入輸出采用24 位AD 轉(zhuǎn)換方式。振動(dòng)傳感器采用ICP 型式，安裝在輪轂中心附近45°位置，測(cè)量范圍為±50 g，頻率范圍10 Hz～10 kHz，精度等級(jí)2%。溫度傳感器安裝在輪輞表面最大溫升處，測(cè)量范圍-20～+120 ℃，精度±0.1 ℃。所有傳感器線路接入系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)，并配置1 個(gè)16 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊、1 個(gè)24 位A/D 轉(zhuǎn)換模塊和1 個(gè)PT100信號(hào)放大、過(guò)濾和線性化電路模塊。為保證傳感器穩(wěn)定接觸測(cè)點(diǎn)表面，本系統(tǒng)采用特制的安裝支架進(jìn)行加載固定。此外，全部傳感器線路經(jīng)過(guò)質(zhì)量增益放大和濾波處理后再送入系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理終端，以提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度和抗干擾性，確保所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確反映天輪實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)采集與傳輸。多繩摩擦式提升機(jī)天輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸部分主要基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在天輪本地設(shè)置1 個(gè)數(shù)據(jù)采集箱，內(nèi)置1 塊工業(yè)主板，集成了A/D 轉(zhuǎn)換接口電路、PT100信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字濾波電路等，用以實(shí)現(xiàn)傳感器拾取信號(hào)的數(shù)字化處理。主板連接1 塊4 核ARM 處理器，1 塊4 G 存儲(chǔ)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)2 個(gè)RJ45 口實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接功能[4]。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了冗余設(shè)計(jì)，關(guān)鍵模塊設(shè)置主備二系統(tǒng)，一旦主系統(tǒng)故障自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)，以保證不間斷工作。天輪狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集頻率設(shè)定為100 Hz，按照輪轂轉(zhuǎn)速的變化實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證數(shù)據(jù)的時(shí)域序列完整性。采集到的編碼數(shù)據(jù)會(huì)首先存儲(chǔ)在本地4G 存儲(chǔ)卡上，形成FIFO 環(huán)形緩存區(qū)；同時(shí)通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與遠(yuǎn)端工控機(jī)連接，并基于TCP/IP 協(xié)議以每200 ms 的包發(fā)送頻率將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)端。為降低數(shù)據(jù)丟包率，本系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，當(dāng)遠(yuǎn)端反饋確認(rèn)應(yīng)答消息丟失時(shí)，本地會(huì)自動(dòng)重新發(fā)送上數(shù)據(jù)包；此外，本地還會(huì)周期性發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包到遠(yuǎn)端，一旦遠(yuǎn)端超過(guò)2 s 未響應(yīng)，則判斷為網(wǎng)絡(luò)故障并報(bào)警。遠(yuǎn)端工控機(jī)基于LabVIEW 環(huán)境開(kāi)發(fā)了狀態(tài)監(jiān)測(cè)的人機(jī)界面，并調(diào)用MATLAB 程序開(kāi)展信號(hào)分析與處理工作。

（3）數(shù)據(jù)處理與分析。天輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析主要利用LabVIEW 和MATLAB 兩種軟件平臺(tái)開(kāi)展。LabVIEW 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、查詢與預(yù)處理；MATLAB 調(diào)用智能算法進(jìn)行特征提取與狀態(tài)識(shí)別。具體來(lái)說(shuō)，溫度和振動(dòng)數(shù)據(jù)在LabVIEW 中進(jìn)行FFT 變換，分析其頻域特征；應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換以提取狀態(tài)特征。變換所用的小波基為db6，分解層數(shù)為3，并輔以合適的軟、硬閾值濾波處理。處理后的三路狀態(tài)特征會(huì)反饋到LabVIEW 界面顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，即將溫度、振動(dòng)和應(yīng)變?nèi)齻€(gè)狀態(tài)參數(shù)按照一定權(quán)重線性疊加，得到綜合狀態(tài)指標(biāo)，以便全面反映天輪健康性。另外，MATLAB 模塊會(huì)調(diào)用SVM、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種智能識(shí)別方法，基于狀態(tài)特征建立健康度評(píng)價(jià)與故障分類模型。其中SVM 算法采用徑向基核函數(shù)，參數(shù)優(yōu)化由粒子群算法輔助；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為三層BP網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為輸入層3 個(gè)、隱層5 個(gè)、輸出層2 個(gè)。兩種智能方法分別訓(xùn)練多個(gè)運(yùn)行狀況指示器和故障類型分類器，并集成一起使用。在線監(jiān)測(cè)時(shí)，當(dāng)前狀態(tài)特征不斷輸入模型評(píng)估健康度與潛在故障模式，預(yù)測(cè)剩余壽命，當(dāng)預(yù)警閾值超限時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

3.系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

（1）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架設(shè)。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的天輪智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，本研究搭建了天輪實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架。測(cè)試臺(tái)架主要包括一個(gè)1.5m 直徑的模擬天輪，傳動(dòng)通過(guò)兩臺(tái)15 千瓦異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)，額定速度30 r/min。為模擬不同工況，可通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)整天輪轉(zhuǎn)速，測(cè)試范圍為10～40 r/min。電機(jī)傳動(dòng)端連接萬(wàn)向聯(lián)軸器，以補(bǔ)償軸線偏差。天輪主體結(jié)構(gòu)與型號(hào)QC1230 全套卷?yè)P(yáng)機(jī)使用的天輪基本相同，材質(zhì)為20 MnMo 合金鋼，通過(guò)有限元分析確定其最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在輪輞與輪轂過(guò)渡處。為模擬疲勞破壞，該區(qū)域進(jìn)行了0.8 mm深度的電火花切割以生成微小缺陷。此外，通過(guò)安裝額外的殼體襯套生成0.2 mm 的軸向間隙，用于模擬軸向位移故障。溫度、應(yīng)變、振動(dòng)傳感器的安裝位置與上文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分的描述一致，通過(guò)LabVIEW 創(chuàng)建了數(shù)據(jù)采集和處理界面，所有測(cè)試數(shù)據(jù)均可存儲(chǔ)下來(lái)分析故障演化規(guī)律。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)精度測(cè)試。為評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度，我們?cè)谂_(tái)架上進(jìn)行了多次狀態(tài)模擬試驗(yàn)。主要測(cè)試指標(biāo)包括溫度、振動(dòng)、應(yīng)變?nèi)悹顟B(tài)參數(shù)的測(cè)量誤差。測(cè)試前首先使天輪系統(tǒng)在正常狀態(tài)下連續(xù)工作2 h，記錄正常工作狀態(tài)下各參數(shù)的平均基準(zhǔn)值。然后模擬軸向位移、過(guò)載和疲勞故障三種工況，分別檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)變化的響應(yīng)靈敏度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出，溫度、應(yīng)變參數(shù)測(cè)量誤差均在設(shè)計(jì)精度范圍內(nèi)，系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度良好。振動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)相對(duì)誤差略高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，主要是由于疲勞故障期間，槽壁與鋼絲繩摩擦系數(shù)變化影響了測(cè)試結(jié)果。但整體來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全能夠準(zhǔn)確反映不同工況下天輪的工作狀態(tài)和潛在故障。

表1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)精度測(cè)試結(jié)果

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)。為驗(yàn)證天輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際效果，本研究在一家地下煤礦井下選取了一臺(tái)使用時(shí)間比較長(zhǎng)的提升機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。該臺(tái)提升機(jī)采用QC1230 全套卷?yè)P(yáng)機(jī)，運(yùn)行已超過(guò)22000 h。我們?cè)谄涮燧喩习惭b了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，連接遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)運(yùn)行一年多時(shí)間里，檢測(cè)到該天輪曾兩次出現(xiàn)故障預(yù)警：第一次是潤(rùn)滑油管堵塞導(dǎo)致的過(guò)熱報(bào)警，維護(hù)人員及時(shí)更換了管路，避免了嚴(yán)重事故的發(fā)生；第二次是檢測(cè)到輪齒波形增大，診斷為齒面磨損，在大修時(shí)得到驗(yàn)證和處理。這兩次成功的狀態(tài)評(píng)價(jià)和早期預(yù)警證明了系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。此外，我們匯總了應(yīng)用前后一年內(nèi)該臺(tái)機(jī)組的維護(hù)維修情況，結(jié)果見(jiàn)表2。從中可以明顯看出，應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，設(shè)備的突發(fā)故障次數(shù)大大減少，維修次數(shù)降低了36%，維修費(fèi)用降低28%，運(yùn)行可靠性和安全性顯著提升，平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間增加了426 h，顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益成果充分說(shuō)明了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)步性。

表2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

（4）系統(tǒng)應(yīng)用前景與限制。本天輪狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功應(yīng)用于提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，展示出準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)性能，對(duì)提升設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、成本適中、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來(lái)在國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備中將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。本系統(tǒng)完全可以推廣應(yīng)用到其他類型的提升運(yùn)輸設(shè)備以及類似工作條件的大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，具有很好的通用性。此外，隨著傳感技術(shù)和分析算法的進(jìn)一步發(fā)展，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度與智能分析功能還將持續(xù)提升，應(yīng)用范圍更加擴(kuò)大。但是系統(tǒng)也存在一些限制，首先是狀態(tài)信息的來(lái)源單一，主要依賴傳感器，無(wú)法利用設(shè)備本身控制或過(guò)程數(shù)據(jù)，存在被動(dòng)監(jiān)測(cè)的不足；其次是對(duì)數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)的模型，面對(duì)少見(jiàn)故障的辨識(shí)能力較弱，這些問(wèn)題有待進(jìn)一步提高。

4.結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)多繩摩擦式提升機(jī)關(guān)鍵部件天輪的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一套智能監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。與當(dāng)前其他研究相比，本系統(tǒng)最大的創(chuàng)新與優(yōu)勢(shì)在于傳感器數(shù)據(jù)采集與智能分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備多種潛在故障模式的自動(dòng)識(shí)別與評(píng)估。具體來(lái)說(shuō)，本研究在傳感器布置與信號(hào)檢測(cè)方面，增加了應(yīng)變和溫度參數(shù)，能夠更全面反映天輪機(jī)械、熱力健康狀態(tài)；在數(shù)據(jù)處理方面，同時(shí)結(jié)合LabVIEW 和MATLAB 兩種軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)特征的提取、融合與智能分析，輔之以SVM、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種模型，提高了故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率與可靠性。此外，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了故障演化趨勢(shì)預(yù)測(cè)與剩余壽命評(píng)估模塊，可以事先給出設(shè)備退化故障預(yù)警，自動(dòng)規(guī)劃保養(yǎng)維修。上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)使系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中表現(xiàn)出色，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中顯著提升了設(shè)備的安全性與經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證了技術(shù)先進(jìn)性與進(jìn)步性?？傮w而言，該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，工程應(yīng)用價(jià)值突出，是傳感技術(shù)與智能算法有效融合的典范，對(duì)推動(dòng)提升設(shè)備智能化升級(jí)具有重要參考意義。