提升系统与井塔结构的振动测试、故障诊断与状态评价

何 根， 张长会， 叶劲兵， 张 勇， 盛宏玉

（1．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2．合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009；3．淮北矿业集团临涣煤矿，安徽 淮北 235136）

矿井提升系统是联系井下与地面的一座桥梁。随着煤矿事业的发展，开采深度的加大，矿井提升系统的工作负荷也越来越大。煤矿提升设备与井塔结构之间存在着动力耦合作用，设备运行这一内在的振源要引起井塔结构的振动，同时结构的振动又要影响到提升设备的振动。煤矿提升设备主要由提煤箕斗、钢丝绳、摩擦轮、调速器和电动机等组成，是一个比较复杂的动力系统。国内外对提升系统作整体分析的研究成果很少见到报道，通常是对其中的某一部分进行研究［1～4］。迄今为止，国内外对提升系统与井塔结构耦合振动研究的报道较少，很多研究是将提升系统与井塔结构分开考虑［5～6］。为了解提升设备的动力特性和振动状态，国内外不少学者开展了对提升系统进行振动测试和对设备进行故障诊断的研究［7～11］。通过合理的布置测点，对振动信号进行时域和频域分析，对矿井提升机传动系统进行故障诊断和评价。大部分的测试分析与研究工作主要涉及频谱分析，从而确定设备的激振振动的主频是否会导致井塔结构的共振。

本文以临涣煤矿的采煤主井为对象，介绍了基于振动测试对矿井提升系统动力设备进行故障诊断的方法。基于对振动信号进行幅值域、时域、频域的综合分析和谱阵分析，可以全面了解提升系统的振动主频，确定传动系统齿轮的啮合频率，并由此找出产生提升设备振动的主要原因。同时，根据现场各关键测点振动信号的振动烈度指标，对提升设备的运行状态进行了合理评价。

1 工程概况

临涣煤矿是淮北矿业集团的主要大型煤矿，该矿采煤主井的塔高66米，设计8层，为方形框架式钢筋混凝土结构；井塔的第8层位置安装1套提升系统，由电动机、调速器、摩擦轮及6股钢丝绳和2个提煤箕斗组成。箕斗满载时总重为25吨，空载时总重为13吨。在提升过程中，满载的箕斗提升，而空载的箕斗下落。结构与动力设备见图1。

图1 主井井塔结构和提升系统动力设备

为全面了解提升系统的动力特性，掌握动力设备的运行状态和井塔结构的振动水平，于2012年9月和2013年3月先后两次对临涣煤矿的提升系统和井塔结构进行了现场振动测试。选用了高灵敏度的速度和加速度传感器，对各测点的振动响应进行了定量测量，给出了频谱特性和振动烈度的分析结果，以评价动力设备的运行状态。

2 测试系统与测试方案

测试仪器系统由加速度传感器、电荷放大器、16通道信号采集箱AZ316和南京安正软件公司的动态信号处理软件SSCRAS组成，如图2所示。测试采用了南京安正软件工程有限责任公司研制的CRAS动态信号分析系统，使用的传感器是北戴河电子仪器厂生产的YD－65型加速度传感器，然后通过电荷放大器的硬件积分得到振动速度信号。

图2 测试系统框图

提升设备及附近的楼板各布置4个测点，分别对应4个轴承座的位置，其中，1＃测点为电机端轴承座，2＃和3＃为调速器两端的轴承座，4＃测点为摩擦轮端轴承座。每个位置测点用4只传感器，用4通道一次性采集信号，3只传感器测量轴承座3个方向的振动，另外1只传感器测量附近楼板的垂直方向振动。

3 测试数据的频谱分析

对测试数据进行频谱分析的目的是为了了解振动的频谱特性，掌握测试信号中所包含的频率成分，从而为查找振源提供依据。本次测试主要分为动力设备和楼板的振动两部分。根据设备和楼板的振动频率范围不同，设备振动测试的采样频率为2560Hz，分析频率为1000Hz，共采集128页数据，时间总长度为51．2s，正好能覆盖提升机的整个运行全过程；楼板振动测试的采样频率为256Hz，分析频率为100Hz，共采集16页数据，时间总长度为64s。由于提升系统在一个运行周期内主要分为加速、匀速和减速3个阶段，因此，在动力设备上各测点振动信号的频谱特性是随时间变化的。1＃轴承座在加速阶段的垂向振动信号如图3所示，其振动的主频较低，而图4所示的为匀速阶段的垂向振动信号，振动的主频要高很多。

图3 启动阶段的时域信号

图4 匀速阶段的时域信号

对于稳态激励产生的振动响应，CRAS软件根据所有各采集数据块的频谱图作累积平均，最后给出的集总平均的频谱曲线能反映出振动信号中的主要频率成分。2＃、3＃轴承座垂向振动信号的频谱曲线分别如图5（a）和图5（b）所示，振动信号中包含的振动主频见表1，其中频率237．5Hz对应电动机与调速器传动齿轮的1阶啮合频率。

图5 调速器两端2＃、3＃轴承座振动信号的频谱曲线

4 调速器转轴的啮合频率

主井提升系统中的减速器传动部分由一级定轴轮系和一个行星轮系组成，其中定轴轮系的输入轴与电机轴相连齿数为31，为斜齿轮，螺旋角为15°，模数为10mm，与之啮合的另一个齿轮的齿数1为43，行星轮系的中心太阳轮齿数为24，三个均匀分布的行星轮齿数为37，大的太阳轮为固定不动的内齿轮，其齿数为99，行星架为输出轴，与摩擦轮相连。整个减速器的输入轴与输出轴的高差为530mm，调速器总传动比为7．1。

摩擦轮最大线速度为V＝9．6m／s，滚筒旋转直径D＝2．8m，其最大角速度为

而调速器的传动比7．1，故电机轴最大角速度为

换算成工程单位，电动机输入端的回转频率理论值为f1＝7．75Hz，调速器输出端的回转频率理论值为f2＝1．09Hz。由此可计算出电机转子与调速器齿轮的1阶啮合频率为fa＝7．75×31＝240．25Hz，减速器行星轮系的啮合频率比较复杂，形成的是一个啮合频带。

为了能反映各个时段振动响应频谱的变化情况，CRAS软件将各个采集数据块的频谱图排列成矩阵形式，给出了谱阵曲线。2＃、3＃轴承座垂向振动信号的谱阵曲线分别如图6（a）和图6（b）所示。

图6 调速器两端轴承座振动信号的谱阵曲线

由图6可以看出，提升系统电机端调速器的齿轮啮合频率为¯fa＝237．5Hz，与表1中给出的主频值一致，也与1阶啮合频率的理论值fa＝240．25Hz非常接近，说明测试结果是可信的。

由图6（a）和图6（b）可以看出，在启动阶段，2＃轴承座（调速器的输入轴位置）的振动响应中包含的明显的振动主频成分，表明调速器定轴轮系啮合状态不好。在2012年9月第1次测试时发现问题后，及时反馈给临焕煤矿。煤矿及时组织技术力量对调速器的传动部分进行了调整。当2013年3月第2次测试时发现此状态得到了明显的改善。图7给出了调整后2＃轴承座振动响应的频谱曲线和谱阵曲线，可以看出，2＃轴承座振动响应中包含第1阶齿轮啮合频率的成分已经非常小了，说明齿轮的啮合状态良好，第2次测试观测到的各测点的振动烈度也都比第1次测试结果小了很多，说明此次对调速器进行调整的效果比较理想。

图7 调整后2＃轴承座振动信号的频谱曲线和谱阵曲线

5 提升系统运行状态的评价

5．1 评价参考标准

提升系统设备主要有电动机、调速器和摩擦轮。对旋转机械安全影响最大的是振动速度，因为速度跟能量联系在一起。在10～1000Hz内振动速度的均方根值（RMS）称为振动烈度，因此，提升系统的运行状态应以振动烈度为考核指标。

电动机为上海电机厂1977年12月出厂的它激式变频电机，型号 ZD／60，1250kW，500／600转／分。建议采用GB10068－2008中表1的有关参数，刚性安装，轴中心高H＞280mm，振动烈度限值为2．8mm／s（有效值）。调速器参考 GB／T 6404．2－2005，该标准1．2．1条规定振动速度限值约10mm／s，考虑到煤矿提升机的重要等级以及工作始终处于变速状态，这一限值显得过于宽松，而1．2．2条新旧齿轮箱限值相差18倍。综合考虑，建议采用振动烈度标准等级小于4．5mm／s为 A 类良好，4．5～7．1mm／s为B类可正常使用。摩擦轮参考GB11347－89中的评定等级规定:振动烈度小于1．8mm／s为A级（针对新交付使用机器）；1．8～4．6mm／s为B级（机器可以长期运行）；4．6～11．2mm／s为C级（机器尚可短期运行，但必须采取补救措施）；11．2～71．0mm／s为D级（停机，不允许运行）。文献11采用ISO／IS 3945及ISO／IS 2372振动烈度评价标准，其规定与GB11347－89相同。

5．2 评价结果

表2给出了4个轴承座三个方向及附近楼板垂直方向振动烈度的测量结果，并对调速器调整前后的测量结果进行了对比。

表2 振动烈度的测试结果及对比（RMS：mm／s）

由表2可以看出，调速器的调整对降低整个提升设备和附近楼板的振动水平效果明显。从调整后的运行状态来看，4个轴承座振动烈度的最大值都小于有关规范的限值，表明整个提升系统的运行状态良好。考虑到各测点的振动响应出现了短时间出现了最大峰值（如图8所示的4＃测点楼板的振动时域曲线），但测试信号中出现大峰值所占的时间比例很小，对整个振动烈度的水平影响不大。综合来讲，根据建议的标准，所有测点的最大振动烈度都小于4．6mm／s，认为机器可以长期运行。

图8 4＃测点楼板垂直方向速度时程图

6 结 论

本文以临涣煤矿的采煤主井为研究对象，通过对各测点的振动信号进行幅值域、时域、频域的综合分析和谱阵分析，获得了提升设备振动的主频信息，合理地对提升系统的运行状态进行了评价。由谱阵曲线确定的传动系统齿轮啮合频率与理论值吻合较好，并由此找出了导致提升设备振动的主要原因。经过对调速器传动系统的调整，有效地降低了整个提升系统的振动水平。本文的研究结果表明，采用频谱分析和谱阵分析相结合的方法，对于确定旋转设备动力响应中的主振频率，识别传动装置中的故障信息是十分有效的。

煤矿提升系统振动状态的监测是评价该设备能否长期安全可靠运行的重要手段。然而，只根据某一次在正常运行条件下的记录数据进行分析时远远不够的。对于这种长期连续运行的设备，必须在设备安全监测制度中加入对提升系统（包括电机和调速器）的定期检测要求，配置振动烈度在线监测系统，或由巡检人员用手持式振动测量仪定期测量和记录，建立测试结果的数据库，并及时分析趋势变化，以判断是否需要采取维护措施。

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