矿井提升机主轴装置振动状态监测与故障诊断研究

吴海青吴军峰

（1.太原工业学院，太原 030008；2.太原锅炉集团有限公司，太原 030008）

矿井提升机主轴装置振动状态监测与故障诊断研究

吴海青1吴军峰2

（1.太原工业学院，太原 030008；2.太原锅炉集团有限公司，太原 030008）

本文针对山西某煤矿提升机主轴装置的振动现象，开发出一套基于组态软件平台矿井提升机主轴装置振动状态实时监测与远程故障诊断系统。经试验与调试，该系统能较准确地诊断出主轴装置振动的原因，为煤矿实现预知维修提供了可靠的依据。该系统可完成已有的人工监测记录与经验故障诊断向在线实时监测与科学诊断的转变，实现矿井提升机的现代化管理。

矿井提升机 主轴装置 振动状态监测 故障诊断

引言

矿井提升系统是一套集机、电、液为一体的复杂设备，在煤矿生产过程中，矿井提升设备是生产运输的重要工具，主要担负着升降人员、设备和提升煤炭和下放材料的任务，是将井上和井下联系起来的唯一途径，被称为矿井生产的“咽喉”。主轴装置作为提升机的重要承载部件，一旦损坏，不仅直接影响矿井的生产能力和经济效益，而且会对井下工作人员的安全构成极大的威胁。因此，作者针对山西焦煤西山煤电马兰矿副立井研发了一套提升机主轴装置振动在线状态监测与故障诊断系统，具有较高的推广应用价值。

1 主轴装置结构简介

主轴装置是提升机的主要工作机构和承载部件，主要由卷筒、主轴、主轴承、制动闸盘等组成，多绳摩擦式提升机主轴装置的结构如图1所示，卷筒为焊接结构，用高强度螺栓、过盈配合或键与主轴法兰盘相连，主要由筒壳、左右辐板、左右轮毂、支环和挡绳侧板焊接而成；主轴承采用滚动轴承，滚动轴承由滚动体、内圈、外圈和保持架四种元件组成的，其内圈与主轴的轴颈通过过盈配合联接，工作时随主轴一起转动，外圈固定在轴承座上；制动闸盘分为不可拆卸的焊接式闸盘和可拆卸式组合闸盘，不可拆卸的焊接式闸盘，就是将制动盘焊接到滚筒上，可拆卸式组合闸盘，即制动盘和筒壳主体采用高强度螺栓、大平面摩擦连接或铰孔螺栓与过孔螺栓交错联接。

图1 多绳摩擦式提升机主轴装置结构简图

2 系统总体方案设计

提升机主轴装置振动状态监测与故障诊断系统主要由硬件和软件两部分组成，整个系统的工作过程是：振动传感器将主轴装置轴承处的振动信号传至安装在工控机中的数据采集卡，继而由数据采集卡将信号传输到上位机，在上位机的组态软件中完成数据的实时显示、历史数据的存储、报表查询和打印、超限报警等。然后再通过组态软件WEB发布功能实时发布上位机的监测画面，以便监控中心和调度中心对现场提升机的运行状态实时监控，并利用组态软件的SQL访问功能将数据保存到本地服务器的SQL Server数据库中，进而利用SQL Server数据库的复制订阅技术将数据实时地传输到远程故障诊断中心，为故障诊断提供有力的数据支持，系统结构原理如图2所示。

图2 系统结构原理图

3 系统硬件选型

振动信号传感器采用扬州科动电子技术研究所研制的型号为KD1200LS的三向压电加速度传感器，该传感器体积小、重量轻、安装简单、频响范围宽（0～50kHz），并有很大的测量范围，适合轴承座和壳体的振动加速度测量，并适合于低频率、低噪声、高分辨率的振动信号测量。本系统的振动传感器安装于主轴两端的轴承顶部，现场安装位置如图3所示。

数据采集卡选用研华生产的PCI–1713智能板卡，可方便地插入工控机的扩展卡槽中，该卡的主要特点有：（1）灵活的输入类型和范围；（2）高速数据采集；（3）满足隔离保护要求；（4）工业过程监测与控制；（5）变送器/传感器接口；（6）多路直流电压测量，选用该数据采集卡能够满足系统的数据采集要求，采集过程如图4所示。其他的硬件包括恒流适配器、工控机和本地服务器等，系统硬件的连接如图5所示。

图3 振动传感器的安装位置

图4 振动加速度信号采集过程示意图

图5 硬件连接

4 系统软件设计

软件部分是整个系统的核心，软件的选用必须和硬件相符合，本系统选用组态王6.53软件作为整个监测系统的基本平台，实现数据的实时采集、显示、历史数据的查询和存储、超限报警等功能，其功能结构如图6所示，主监测界面如图7所示，其中振动速度均方根值即振动强度，它反映了包含各次谐波能量的总振动能量的大小，通常情况下我们会采用振动烈度来衡量振动强度的大小。监测振动位移幅值，即一次提升过程中最大位移与最小位移（含负值）差的绝对值，用以判断基础是否薄弱。

图6 软件的功能结构框图

图7 主监测界面

5 试验研究

对该系统经过多次试验和调试，现已成功应用到西山煤电马兰矿副立井提升机的主轴装置振动故障诊断中，以下对提升机主轴系统振动状态监测与故障诊断中心的远程网站使用方法做简单的介绍。

（1）首先在浏览器的地址栏中输入正确的地址，进入“多绳摩擦提升机主轴系统振动状态监测与故障诊断系统”界面，如图8所示。首页中的系统简介主要介绍该系统所具备的功能，主要有技术参数的查询、监测中心、诊断中心和趋势预测等功能。

图8 远程故障诊断中心首页

（2）单击“监测中心”，进入监测中心界面，如图9所示，该界面监测的数据变化与现场组态王监测画面同步，可实现远程监控的功能。

图9 远程发布界面

（3）点击“诊断中心”按钮，弹出诊断中心页面，如图10所示。界面中主轴轴承处的振动烈度值是实时调用本地数据库服务器中的数据，若某个方向上的振动烈度超过了标准规定的界限值，振动烈度的报警灯就会变为红色，提醒工作人员需对此现象进行诊断。

图10 远程诊断中心界面

（4）点击图10中“诊断”按钮，即在弹出的另一页面上显示出对于某个方向上的振动烈度超限原因分析的详细结果，如图11所示。

图11 诊断结果界面

以上简单介绍了多绳摩擦提升机主轴系统振动状态监测与故障诊断系统的使用方法，并结合实时监测数据和实时监测画面，给出提升机主轴轴承处出现振动烈度超限时的诊断过程。

6 结语

本文将计算机技术、网络技术、设备状态监测技术、数据库技术等结合起来，开发出一套基于组态软件平台的多绳摩擦提升机主轴系统振动状态监测与远程故障诊断系统，并进行相应的试验研究，试验结果表明：该监测与诊断系统能真实地反映矿井提升机主轴系统的振动状态，通过对提升机主轴及轴承在线振动状态监测，能及时掌握和判断设备是否存在故障，若存在故障，则及时采取相应的措施，避免事故的发生及事故带来的巨大经济损失，从而实现按状态维修，真正达到“预知维修”的效果，并可延长检修周期和缩短检修时间，提高检修质量和设备的维修管理水平。

[1]刘芬，孟淑琴.矿井提升机振动监测系统的设计及其故障诊断[J].工矿自动化，2008，（2）：108-110.

[2]王利栋.基于振动信号的矿用提升机主轴轴承健康诊断研究与应用[J].煤矿机械，2016，37（10）：94-97.

[3]乔国厚.基于振动信号分析的矿井提升机主轴装置在线监测与故障诊断系统设计应用[J].矿山机械，2013，41（12）：51-55.

[4]黄民，李功，张永忠.矿井提升机振动测试与故障诊断[J].煤矿机械，2002，（12）：79-81.

[5]付艳丽，苏荣华.矿井提升机振动的故障诊断与控制措施[J].矿业安全与环保，2004，31（1）：46-48.

The Research of Mine Hoist Spindle Vibration Condition Monitoring and Fault Diagnosis

WU Haiqing1, WU Junfeng2
(1.Department of mechanical engineering of taiyuan institute of technology，Taiyuan 030008; 2.Taiyuan boiler group Co., Ltd, Taiyuan 030008）

For the vibration of the spindle unit of a mine hoist in shanxi, a set of the shaft unit vibration state monitor and remote fault diagnose system of the mine hoist based on configuration software platform is developed. By testing and debugging, the system can accurately diagnosis the reasons of vibration of the spindle unit, and provides a reliable basis to realize predicting maintenance of coal mine. The system completes the transformation of the existing manual monitoring record and experience of fault diagnose to the on-line real-time monitoring and scientific diagnose, and realize the modernization management of mine hoist.

mine hoist, spindle unit, vibration condition monitoring, fault diagnosis