莒山礦副斜井提升機運行故障分析與故障診斷系統(tǒng)研究

宋俊斌

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002）

0 引 言

立井以及斜井開拓時，采用的提升機主要用以材料、設(shè)備、人員等運輸，提升機會直接影響礦井生產(chǎn)效率[1-2]。國內(nèi)眾多工程技術(shù)人員及科研人員對提升機運行監(jiān)測及故障診斷方面開展研究，其中陳瑩瑩等[3]基于計算機及故障診斷技術(shù)設(shè)計一種提升機故障在線診斷系統(tǒng)，可實現(xiàn)提升機運行在線監(jiān)測以及運行故障的自動警報；喬國厚等[4]提出一種提升機故障監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測、分析提升機振動信號對運行故障進行識別。上述研究成果為提升機運行監(jiān)測以及故障診斷系統(tǒng)研究提供一定經(jīng)驗借鑒。本文以莒山礦副斜井提升機為研究對象，分析提升機運行中故障類型并提出一種故障診斷系統(tǒng)，以期在一定程度上提升礦井提升機運行保障能力。

1 副斜井提升機概況

莒山礦副斜井為半圓拱形斷面，坡度為20°，斜長共計508 m，采用的提升機型號為JK-3×2.2P，主要用以材料、設(shè)備等運輸。滾筒直徑3 m，運行速度最大3.03 m/s、采用1 根φ34 mm 鋼絲繩提升；電動機型號為YPT500-10，減速器型號為NBD900、減速比為30。

提升機是由電動機、滾筒、天輪、減速器等結(jié)構(gòu)組成的大型提升設(shè)備，在設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的各類故障會制約提升機高效運行。

2 提升機運行故障分析

提升機在礦井二期工程施工期間投入使用，提升矸石和材料等，每天平均大約需提升60~70 趟，根據(jù)為期18 個月現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)提升機在運行過程中主要故障類型有軸承及齒輪故障、電機故障以及滾筒故障等類型。具體監(jiān)測的各類型故障占比見圖1。

2.1 軸承及齒輪故障

軸承及齒輪提升機動力傳動、運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零部件，其發(fā)生故障后會直接影響提升機運行可靠性，根據(jù)現(xiàn)場故障監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)齒輪箱故障發(fā)生率最高、達到53%。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對齒輪故障進行歸納總結(jié)[5-6]：

1）潤滑油溫度過高，故障多出現(xiàn)在潤滑點位置，主要是潤滑油泄漏、供給布置等造成。

2）滲漏油，故障多發(fā)生在箱體結(jié)合面或者內(nèi)齒圈位置。

3）軸承損壞，主要是濾芯含雜質(zhì)量多，軸承溫度過高導(dǎo)致。

4）齒面疲勞，故障多表現(xiàn)為齒輪表面被壓碎、破壞性點蝕、齒面脫落。

5）齒輪折斷，對發(fā)生在高速運轉(zhuǎn)的小齒輪上，具體表現(xiàn)為斷口或斷齒。當(dāng)齒輪箱出現(xiàn)溫度過高或者滲油等故障時，采用人工巡檢方式可及時發(fā)現(xiàn)。箱體內(nèi)部齒輪出現(xiàn)故障時，由于齒輪在箱體內(nèi)部工作，往往無法直觀發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)軸承及齒輪出現(xiàn)故障時往往會伴隨異常振動，具體齒輪故障異常振動發(fā)生機理見圖2；因此，通過監(jiān)測振動信號即可實現(xiàn)提升機是否出現(xiàn)此類故障進行診斷。

圖2 異常振動機理

2.2 提升機電動機故障

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果以及以往研究成果，歸結(jié)提升機電動機故障有以下幾類[7]：

1）定子運行異常。主要原因包括有電動機與底座間出現(xiàn)松動、電動機出現(xiàn)共振；鐵芯、定子線圈松動；定子三相磁場為不對稱的橢圓磁場。

2）電機氣隙不均衡。主要原因包括有靜態(tài)、動態(tài)氣隙不均衡。

3）轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常有其自身特點：通過比對采變頻、基頻幅值可判定轉(zhuǎn)子導(dǎo)體故障嚴重程度；轉(zhuǎn)子導(dǎo)體故障產(chǎn)生的后異常振動頻次與負荷正相關(guān)；轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常后往往會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動態(tài)偏移以及電磁振動等現(xiàn)象。

4）轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡后會異常振動異常，具體特征為：轉(zhuǎn)子徑向振動幅值較軸向幅值顯著增加；徑向振動幅值與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。

2.3 滾筒以及鋼絲繩故障

滾筒結(jié)構(gòu)有軸承、主軸、卷筒等，具體JK-3.0×2.2P 提升機為單滾筒纏繞式。滾筒最為常見的故障為滾筒開裂以及開焊、偏斜等。滾筒開裂、開焊主要是由于滾筒本身強度不足造成，通過人工觀測方式即可發(fā)現(xiàn)故障；偏斜由于偏斜量較小，人工觀測方式難以發(fā)現(xiàn)，可通過布置位傳感器獲取滾筒位置、通過數(shù)據(jù)比對掌握滾筒是否出現(xiàn)偏斜。

鋼絲繩故障主要表現(xiàn)為斷絲、損傷等，現(xiàn)階段副斜井提升機已配備有鋼絲繩無線損傷探測系統(tǒng)，可及時掌握鋼絲繩運行狀態(tài)[8]。

通過上述分析得知，當(dāng)提升機出現(xiàn)故障后最為顯著的特征即為：局部振動異常、溫度升高。因此，可重點通過提升機關(guān)鍵零部件振動、溫度情況對設(shè)備運行情況進行監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障。

3 提升機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

3.1 故障診斷原理

故障診斷系統(tǒng)見圖3，包括傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡以及上位機等部分。可實現(xiàn)狀態(tài)顯示、監(jiān)測信息存儲以及故障預(yù)警等。基本原理為采用各類型傳感器獲取提升機關(guān)鍵部位設(shè)備運行參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸給上位機（工控機），上位機通功能模塊分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、實現(xiàn)故障診斷。

圖3 故障診斷系統(tǒng)

3.2 傳感器布置

故障診斷方案是監(jiān)測滾筒、天輪、電動機以及減速器等振動、溫度等監(jiān)測實現(xiàn)故障判定。具體為:通過振動加速度傳感器來監(jiān)測滾筒、天輪、電動機以及減速器等機械振動；采用位移傳感器來監(jiān)測滾筒偏擺量、壓力傳感器監(jiān)測碟簧壓力。

傳感器是提升機故障診斷的一個重要組成，應(yīng)合理進行位置選擇，具體安裝位置要求為：遠離對傳感器工作性能有影響區(qū)域；布置位置盡可能靠近軸承等振動異常點；選擇機械設(shè)備靈敏位置；布置位置應(yīng)有足夠剛度避免傳感器掉落。傳感器位置見圖4，壓力、位移傳感器均布置8 個，振動、溫度傳感器均布置12個。在 1~9 號、14 號、17 號及 20 號位置均同時安裝溫度、振動傳感器；在 10~13 號、15~16 號、18~19 號位置均同時安裝位移、壓力傳感器。

圖4 監(jiān)測傳感器安裝位置

4 結(jié) 論

1）對莒山礦副斜井提升機運行過程中存在的主要故障類型進行歸納總結(jié)，并具體對軸承及齒輪故障、電動機故障、滾筒及鋼絲繩故障原因、故障特點等進行探討，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時均有一定程度的異常振動、高溫以及位置偏移等特點。

2）根據(jù)測獲取到的提升機故障特點設(shè)計一種提升機故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過溫度、位移、壓力等傳感器監(jiān)測滾筒、天輪、電動機以及減速器等關(guān)鍵零部件運行情況，通過調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸、采用上位機對是否出現(xiàn)故障進行診斷。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后，故障診斷系統(tǒng)可對提升機各關(guān)鍵部件運行情況進行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障征兆時（如溫度異常、位移異常時）會及時發(fā)出預(yù)警信息，提醒值守人員及時處理，從而可在一定程度上提高提升機運行可靠性及運行效率。