煤礦提升機天輪故障分析及監測方法研究

尚雙貴

(山西華鹿陽坡泉煤礦，山西 忻州 036504)

煤炭是我國重要能源，90%的煤炭來自井工開采。煤礦提升機作為重要設備，擔負著煤礦煤炭、設備、材料、人員的提升人物，是礦井的“咽喉”。現有提升機主要有3種：多繩纏繞、多繩摩擦和單繩纏繞。天輪作為提升機重要部分，擔負著提升機的傳遞載荷和動力。天輪主要由軸承座、軸承、天輪輪體、整體天輪輪轂和耐磨襯墊組成。如果天輪不能安全運行，會嚴重影響礦井的安全提升。目前，天輪的噪聲治理和更換研究主要是天輪的噪聲治理、天輪平移處理和天輪的磨損處理。國內學者對煤礦提升機天輪故障分析及監測方法進行諸多研究，天輪的監測系統主要包括軟件部分和硬件部分，軟件部分主要有集成測試、部分開發和系統設計；硬件系統主要由計算機設備、信號調理電路、采集卡和傳感器等構成。

現有天輪監測研究存在的主要問題[1-3]：①天輪監測研究多為天輪振動對鋼絲繩的影響，并且采集的信號多為鋼絲繩的，缺少專門針對天輪的采集信號的診斷研究；②天輪監測研究多對軸承進行診斷，不能夠很好適應天輪的診斷；③缺少對天輪整個系統的研究。鑒于此，本文研究了煤礦提升機天輪故障分析及監測方法，研究為煤礦的安全提升提供了技術支持。

1 煤礦提升機天輪故障分析

本文采用故障樹對煤礦提升機天輪故障進行分析，一般流程為確定頂事件→建立故障樹→簡化故障樹→定性分析。其優點：①天輪各部件故障與天輪的系統故障，可依靠故障樹進行連接，根據故障樹可以得到造成天輪故障的最根本原因(天輪故障的最小割集)，根據天輪故障的最根本原因，可以對天輪進行優化改進；②利用故障樹方法，可以清晰地利用圖形來表示煤礦天輪系統的相關故障機理，從而便于了解某故障狀態發生原因[4-6]。

本文主要對多繩纏繞式礦井的天輪常見故障進行分析，并建立故障樹。天輪故障為故障樹的頂事件；軸承故障、偏擺過大、噪聲過大、天輪井架傾斜為故障樹的基本事件；鋼絲繩受力不均勻、變形、斷裂、外力沖擊、磨損、罐道偏移、安裝不正、工藝缺陷為故障樹的基本子事件。煤礦提升機天輪故障樹如圖1所示。

圖1 煤礦提升機天輪故障樹Fig.1 Fault tree of mine hoist head sheave

建立煤礦提升機天輪故障樹后，需要對故障樹進行定量、定性分析。輪故障樹的定量、定性分析主要包括：①采用結構重要度判定法，對煤礦提升機天輪各個基本事件的結構的重要度進行判定；②采用布爾代數法，簡化煤礦提升機天輪故障樹，得到了天輪故障樹的最小割集；③根據煤礦提升機天輪故障樹的最小割集，分析預防天輪故障發生方法。

通過對建立天輪故障樹的定性分析，得到導致煤礦提升機天輪故障的最小割集{鋼絲繩受力不均勻}、{變形}、{斷裂}、{軸瓦疲勞脫落}、{磨損}、{罐道偏移}、{安裝不正}。在充分了解故障的基礎上，確定3種故障特征：①軸承故障導致的天輪噪聲過大；②井架安裝不正導致的井架傾斜；③天輪安裝不正導致的天輪偏擺過大。

2 煤礦提升機振動信號監測

本文主要是在煤礦提升機天輪3個方向安裝加速度傳感器，對其振動信號進行采集，并對振動信號進行處理，得到更精確的天輪振動信號數據。主要研究2部分：①對提升機天輪的運行狀態進行監測，并構建系統的軟、硬件部分；②對采集的天輪振動信號進行處理[7-10]。

2.1 天輪運行監測系統的構建

本文采用DH5922D動態測試信號分析儀對天輪振動信號進行監測，該裝置利用計算機、交換機擴展就能實現多通道動態信號的測試和分析，采用千兆以太網通訊，有標準機箱結構，最高采樣速率達到256 kHz/通道，穩定性好、抗干擾能力強，具有現場通道自檢功能、TEDS功能，同時還可以無間斷記錄所有通道信號，實現電流、溫度、電荷等信號的測量。DH5922D動態測試信號分析儀工作原理如圖2所示。

圖2 DH5922D動態測試信號分析儀工作原理Fig.2 Working principle of DH5922D dynamic test signal analyzer

DH5922D動態測試信號分析儀相關技術指標：支持調理器類型為溫度調理器、電流調理器、電荷調理器；供電方式為10～36 V DC或220 V AC；通訊方式為USB3.0接口或千兆以太網；模數轉換器為每通道獨立24位A/D轉換器；連續采樣速率為32通道以上，采用速率最高達128 kHz/通道，32通道同時步，采用速率最高達256 kHz/通道；通道數為4通道/卡，可擴展1 000通道，單機箱最多64通道或32通道。

本文采用單獨的激光位移傳感器和三通的加速度傳感器，來監測天輪的實時狀態，其安裝示意如圖3所示。激光位移傳感器采用24 V的電源進行供電。

圖3 激光位移傳感器和加速度傳感器安裝示意Fig.3 Installation instructions for laser displacement sensor and acceleration sensor

當煤礦提升機的提升速度為0.3 m/s時，采用DHDAS分析系統，得到了天輪振動信號如圖4所示。

圖4 天輪振動信號Fig.4 Vibration signal of head sheave

2.2 信號處理

根據圖4實測分析可知，天輪的振動信號存在很多噪聲，致使數據不準確，本文采用小波閾值去噪方法，去除天輪振動信號的干擾噪聲。利用天輪振動信號的處理，得到天輪振動信號的相關信息，如天輪加速度的峰度、偏度、峰峰值、均方根值、標準差、平均值、最小值、最大值。根據這些提取信息對天輪進行診斷。基于小波閾值的天輪振動信號去噪過程如圖5所示。

圖5 基于小波閾值的天輪振動信號去噪過程Fig.5 De-noising process of head sheave vibration signal based on wavelet threshold

利用小波去噪方法對圖4進行處理，本文將高頻段濾去，僅考慮低頻段信號，濾波后的天輪振動信號如圖6所示。由圖6可知，小波去噪方法能夠有效去除振動信號的噪聲。

圖6 濾波后的天輪振動信號Fig.6 Filtered vibration signal of the head sheave

3 結論

(1)本文采用故障樹對煤礦提升機天輪故障進行分析，天輪故障為故障樹的頂事件；軸承故障、偏擺過大、噪聲過大、天輪井架傾斜為故障樹的基本事件；鋼絲繩受力不均勻、變形、斷裂、外力沖擊、磨損、罐道偏移、安裝不正、工藝缺陷為故障樹的基本子事件。確定了3種故障特征：①軸承故障導致的天輪噪聲過大；②井架安裝不正導致的井架傾斜；③天輪安裝不正導致的天輪偏擺過大。

(2)對煤礦提升機振動信號監測方法的研究，主要是對提升機天輪的運行狀態進行監測，并構建系統的軟、硬件部分；對采集的提升機天輪振動信號進行處理。