大型礦井提升機天輪偏擺的監測與診斷

趙建齋

（太原理工大學，山西 太原 030024）

礦井提升機以其提升快捷方便、自動化程度高、提升速度快、提升容量大等優勢在礦山主要擔負著提升煤炭資源、矸石、設備材料以及升降人員的重要任務，是聯系礦井井下和礦區地面的關鍵通道與橋梁，有著“礦井咽喉”之稱[1，2]。對于煤炭行業，提升機不僅具有輸送人員的作用，還具有提升礦物的功能，因而在煤礦生產過程中，提升機起著不可忽略的作用。提升設備的提升量代表著礦井的主產量，礦井提升機一旦出現故障或是產生故障隱患而不能被排除，在礦井生產能力和經濟效益上的損失十分巨大，甚至造成重大的傷亡事故，是礦井安全生產的巨大隱患。提升機天輪是礦井提升系統的重要部件，其運行狀態的好壞直接影響到整個提升系統的性能，如果天輪出現故障，將會導致提升系統不能正常工作，給煤礦生產帶來巨大的安全隱患和經濟損失。因此，提升機天輪健康診斷具有重要的意義。

1 天輪偏擺監測

落地式多繩摩擦提升機鋼絲繩與滾筒接觸點至天輪處的一段鋼絲繩通常稱為繩弦。鋼絲繩振動最劇烈的部位往往是繩弦，其持續劇烈振動不僅影響使用壽命，而且會使提升系統增加額外的動載荷，從而進一步影響滾筒和天輪等設備的使用壽命。

盡管導致繩弦振動的因素較多，但天輪偏擺是主要原因之一。當天輪偏擺超限時，會引起鋼絲繩繩弦的劇烈振動。繩弦振動可用圖1 表示：摩擦輪固定，天輪偏擺可簡化為Asinωt 橫向周期運動(見圖1）。

圖1 繩弦的強迫振動示意

在許多實際問題中，可以部分甚至全部忽略參數的分布性質，以便簡化對問題的研究。在本研究中，采用基于分布參數連續模型對繩弦進行研究，可得繩弦的強迫振動響應為：

式中：ωi——鋼絲繩的固有頻率；

A ——激勵的位移幅值；

ω ——激勵頻率；

L ——繩弦長度；

x ——繩弦距離；

t ——時間。

從式中可看出，天輪的劇烈偏擺能引起繩弦的強迫振動。第31 頁圖2 為采集系統的硬件構成，其采用電感式位移傳感器檢測各輪轂的偏擺，在天輪轂圓周上配置了8 個電感式位移傳感器，經過電流電壓變送器傳至PCI9114DG 模擬量數據采集卡，由工控機對數據進行處理。

圖2 天輪狀態參數采集系統硬件構成

2 天輪偏擺信號分析處理

頻譜是為了使信號從時域轉到頻域而對信號進行分析的方法，可分為幅值譜、相位譜、實頻譜、虛頻譜、功率譜等。它們從不同方面描述了信號的特征，從而表示出信號的頻率信息。幅值譜和功率譜可以反映信號各頻率的能量成分，相位譜可以反映信號各頻率分量的初始相位。實頻譜和虛頻譜在工程中的應用相對比較少，而功率譜和幅值譜的應用則比較廣泛。在振動分析中，幅值譜可以反映不同頻率的正弦波所攜帶能量的多少。

本研究中，采用快速傅立葉變換對連續振動信號進行幅值譜分析，監測各頻率分量下的信號幅值，進行健康診斷。以某礦2#提升機天輪偏擺進行實驗，天輪具體參數見表1，天輪偏擺傳感器安裝見圖3，信號處理結果見圖4。

表1 天輪參數

根據天輪偏擺實測結果對其進行分析。圖4 中橫坐標為時間，縱坐標為信號幅值。圖中信號幅值區域反映的是天輪偏擺量的大小，以南上天輪1 號為例，信號幅值最大值為68.5，最小值為65.5，二者之差為3，即天輪偏擺量為3。詳細天輪偏擺量見表2。

圖3 天輪偏擺位移傳感器的安裝

圖4 天輪偏擺實測結果

表2 天輪偏擺量

根據現場測試情況，采用絕對標準《煤礦機電設備檢修質量標準》（見表3），端面圓跳動不超過10 mm，建立天輪偏擺超限判據。根據判據可得，南上天輪4 號與南下天輪4 號處于亞健康狀態，南下天輪3 號處于超限狀態，應及時進行相關處理。

表3 機電設備檢修標準

3 結論

通過對天輪在線偏擺信號的處理與分析，將其轉換為設備檢修標準，可以實現對天輪偏擺的實時監測，并且可以定量判斷天輪偏擺是否符合要求，為天輪定量檢測與判定打下基礎，從而為整個提升系統的安全運行起到很好的保障作用。

[1]唐艷同.礦井提升機遠程狀態監測與智能故障診斷系統[D].太原：太原理工大學，2013：1-10，37-56.

[2]胡勇.礦用提升機調速系統改造及運行狀態監測[D].北京：北京工業大學，2010：1-21.