大型矿井提升机天轮偏摆的监测与诊断

赵建斋

（太原理工大学，山西 太原 030024）

矿井提升机以其提升快捷方便、自动化程度高、提升速度快、提升容量大等优势在矿山主要担负着提升煤炭资源、矸石、设备材料以及升降人员的重要任务，是联系矿井井下和矿区地面的关键通道与桥梁，有着“矿井咽喉”之称[1，2]。对于煤炭行业，提升机不仅具有输送人员的作用，还具有提升矿物的功能，因而在煤矿生产过程中，提升机起着不可忽略的作用。提升设备的提升量代表着矿井的主产量，矿井提升机一旦出现故障或是产生故障隐患而不能被排除，在矿井生产能力和经济效益上的损失十分巨大，甚至造成重大的伤亡事故，是矿井安全生产的巨大隐患。提升机天轮是矿井提升系统的重要部件，其运行状态的好坏直接影响到整个提升系统的性能，如果天轮出现故障，将会导致提升系统不能正常工作，给煤矿生产带来巨大的安全隐患和经济损失。因此，提升机天轮健康诊断具有重要的意义。

1 天轮偏摆监测

落地式多绳摩擦提升机钢丝绳与滚筒接触点至天轮处的一段钢丝绳通常称为绳弦。钢丝绳振动最剧烈的部位往往是绳弦，其持续剧烈振动不仅影响使用寿命，而且会使提升系统增加额外的动载荷，从而进一步影响滚筒和天轮等设备的使用寿命。

尽管导致绳弦振动的因素较多，但天轮偏摆是主要原因之一。当天轮偏摆超限时，会引起钢丝绳绳弦的剧烈振动。绳弦振动可用图1 表示：摩擦轮固定，天轮偏摆可简化为Asinωt 横向周期运动(见图1）。

图1 绳弦的强迫振动示意

在许多实际问题中，可以部分甚至全部忽略参数的分布性质，以便简化对问题的研究。在本研究中，采用基于分布参数连续模型对绳弦进行研究，可得绳弦的强迫振动响应为：

式中：ωi——钢丝绳的固有频率；

A ——激励的位移幅值；

ω ——激励频率；

L ——绳弦长度；

x ——绳弦距离；

t ——时间。

从式中可看出，天轮的剧烈偏摆能引起绳弦的强迫振动。第31 页图2 为采集系统的硬件构成，其采用电感式位移传感器检测各轮毂的偏摆，在天轮毂圆周上配置了8 个电感式位移传感器，经过电流电压变送器传至PCI9114DG 模拟量数据采集卡，由工控机对数据进行处理。

图2 天轮状态参数采集系统硬件构成

2 天轮偏摆信号分析处理

频谱是为了使信号从时域转到频域而对信号进行分析的方法，可分为幅值谱、相位谱、实频谱、虚频谱、功率谱等。它们从不同方面描述了信号的特征，从而表示出信号的频率信息。幅值谱和功率谱可以反映信号各频率的能量成分，相位谱可以反映信号各频率分量的初始相位。实频谱和虚频谱在工程中的应用相对比较少，而功率谱和幅值谱的应用则比较广泛。在振动分析中，幅值谱可以反映不同频率的正弦波所携带能量的多少。

本研究中，采用快速傅立叶变换对连续振动信号进行幅值谱分析，监测各频率分量下的信号幅值，进行健康诊断。以某矿2#提升机天轮偏摆进行实验，天轮具体参数见表1，天轮偏摆传感器安装见图3，信号处理结果见图4。

表1 天轮参数

根据天轮偏摆实测结果对其进行分析。图4 中横坐标为时间，纵坐标为信号幅值。图中信号幅值区域反映的是天轮偏摆量的大小，以南上天轮1 号为例，信号幅值最大值为68.5，最小值为65.5，二者之差为3，即天轮偏摆量为3。详细天轮偏摆量见表2。

图3 天轮偏摆位移传感器的安装

图4 天轮偏摆实测结果

表2 天轮偏摆量

根据现场测试情况，采用绝对标准《煤矿机电设备检修质量标准》（见表3），端面圆跳动不超过10 mm，建立天轮偏摆超限判据。根据判据可得，南上天轮4 号与南下天轮4 号处于亚健康状态，南下天轮3 号处于超限状态，应及时进行相关处理。

表3 机电设备检修标准

3 结论

通过对天轮在线偏摆信号的处理与分析，将其转换为设备检修标准，可以实现对天轮偏摆的实时监测，并且可以定量判断天轮偏摆是否符合要求，为天轮定量检测与判定打下基础，从而为整个提升系统的安全运行起到很好的保障作用。

[1]唐艳同.矿井提升机远程状态监测与智能故障诊断系统[D].太原：太原理工大学，2013：1-10，37-56.

[2]胡勇.矿用提升机调速系统改造及运行状态监测[D].北京：北京工业大学，2010：1-21.