煤矿提升机天轮故障分析及监测方法研究

尚双贵

(山西华鹿阳坡泉煤矿，山西 忻州 036504)

煤炭是我国重要能源，90%的煤炭来自井工开采。煤矿提升机作为重要设备，担负着煤矿煤炭、设备、材料、人员的提升人物，是矿井的“咽喉”。现有提升机主要有3种：多绳缠绕、多绳摩擦和单绳缠绕。天轮作为提升机重要部分，担负着提升机的传递载荷和动力。天轮主要由轴承座、轴承、天轮轮体、整体天轮轮毂和耐磨衬垫组成。如果天轮不能安全运行，会严重影响矿井的安全提升。目前，天轮的噪声治理和更换研究主要是天轮的噪声治理、天轮平移处理和天轮的磨损处理。国内学者对煤矿提升机天轮故障分析及监测方法进行诸多研究，天轮的监测系统主要包括软件部分和硬件部分，软件部分主要有集成测试、部分开发和系统设计；硬件系统主要由计算机设备、信号调理电路、采集卡和传感器等构成。

现有天轮监测研究存在的主要问题[1-3]：①天轮监测研究多为天轮振动对钢丝绳的影响，并且采集的信号多为钢丝绳的，缺少专门针对天轮的采集信号的诊断研究；②天轮监测研究多对轴承进行诊断，不能够很好适应天轮的诊断；③缺少对天轮整个系统的研究。鉴于此，本文研究了煤矿提升机天轮故障分析及监测方法，研究为煤矿的安全提升提供了技术支持。

1 煤矿提升机天轮故障分析

本文采用故障树对煤矿提升机天轮故障进行分析，一般流程为确定顶事件→建立故障树→简化故障树→定性分析。其优点：①天轮各部件故障与天轮的系统故障，可依靠故障树进行连接，根据故障树可以得到造成天轮故障的最根本原因(天轮故障的最小割集)，根据天轮故障的最根本原因，可以对天轮进行优化改进；②利用故障树方法，可以清晰地利用图形来表示煤矿天轮系统的相关故障机理，从而便于了解某故障状态发生原因[4-6]。

本文主要对多绳缠绕式矿井的天轮常见故障进行分析，并建立故障树。天轮故障为故障树的顶事件；轴承故障、偏摆过大、噪声过大、天轮井架倾斜为故障树的基本事件；钢丝绳受力不均匀、变形、断裂、外力冲击、磨损、罐道偏移、安装不正、工艺缺陷为故障树的基本子事件。煤矿提升机天轮故障树如图1所示。

图1 煤矿提升机天轮故障树Fig.1 Fault tree of mine hoist head sheave

建立煤矿提升机天轮故障树后，需要对故障树进行定量、定性分析。轮故障树的定量、定性分析主要包括：①采用结构重要度判定法，对煤矿提升机天轮各个基本事件的结构的重要度进行判定；②采用布尔代数法，简化煤矿提升机天轮故障树，得到了天轮故障树的最小割集；③根据煤矿提升机天轮故障树的最小割集，分析预防天轮故障发生方法。

通过对建立天轮故障树的定性分析，得到导致煤矿提升机天轮故障的最小割集{钢丝绳受力不均匀}、{变形}、{断裂}、{轴瓦疲劳脱落}、{磨损}、{罐道偏移}、{安装不正}。在充分了解故障的基础上，确定3种故障特征：①轴承故障导致的天轮噪声过大；②井架安装不正导致的井架倾斜；③天轮安装不正导致的天轮偏摆过大。

2 煤矿提升机振动信号监测

本文主要是在煤矿提升机天轮3个方向安装加速度传感器，对其振动信号进行采集，并对振动信号进行处理，得到更精确的天轮振动信号数据。主要研究2部分：①对提升机天轮的运行状态进行监测，并构建系统的软、硬件部分；②对采集的天轮振动信号进行处理[7-10]。

2.1 天轮运行监测系统的构建

本文采用DH5922D动态测试信号分析仪对天轮振动信号进行监测，该装置利用计算机、交换机扩展就能实现多通道动态信号的测试和分析，采用千兆以太网通讯，有标准机箱结构，最高采样速率达到256 kHz/通道，稳定性好、抗干扰能力强，具有现场通道自检功能、TEDS功能，同时还可以无间断记录所有通道信号，实现电流、温度、电荷等信号的测量。DH5922D动态测试信号分析仪工作原理如图2所示。

图2 DH5922D动态测试信号分析仪工作原理Fig.2 Working principle of DH5922D dynamic test signal analyzer

DH5922D动态测试信号分析仪相关技术指标：支持调理器类型为温度调理器、电流调理器、电荷调理器；供电方式为10～36 V DC或220 V AC；通讯方式为USB3.0接口或千兆以太网；模数转换器为每通道独立24位A/D转换器；连续采样速率为32通道以上，采用速率最高达128 kHz/通道，32通道同时步，采用速率最高达256 kHz/通道；通道数为4通道/卡，可扩展1 000通道，单机箱最多64通道或32通道。

本文采用单独的激光位移传感器和三通的加速度传感器，来监测天轮的实时状态，其安装示意如图3所示。激光位移传感器采用24 V的电源进行供电。

图3 激光位移传感器和加速度传感器安装示意Fig.3 Installation instructions for laser displacement sensor and acceleration sensor

当煤矿提升机的提升速度为0.3 m/s时，采用DHDAS分析系统，得到了天轮振动信号如图4所示。

图4 天轮振动信号Fig.4 Vibration signal of head sheave

2.2 信号处理

根据图4实测分析可知，天轮的振动信号存在很多噪声，致使数据不准确，本文采用小波阈值去噪方法，去除天轮振动信号的干扰噪声。利用天轮振动信号的处理，得到天轮振动信号的相关信息，如天轮加速度的峰度、偏度、峰峰值、均方根值、标准差、平均值、最小值、最大值。根据这些提取信息对天轮进行诊断。基于小波阈值的天轮振动信号去噪过程如图5所示。

图5 基于小波阈值的天轮振动信号去噪过程Fig.5 De-noising process of head sheave vibration signal based on wavelet threshold

利用小波去噪方法对图4进行处理，本文将高频段滤去，仅考虑低频段信号，滤波后的天轮振动信号如图6所示。由图6可知，小波去噪方法能够有效去除振动信号的噪声。

图6 滤波后的天轮振动信号Fig.6 Filtered vibration signal of the head sheave

3 结论

(1)本文采用故障树对煤矿提升机天轮故障进行分析，天轮故障为故障树的顶事件；轴承故障、偏摆过大、噪声过大、天轮井架倾斜为故障树的基本事件；钢丝绳受力不均匀、变形、断裂、外力冲击、磨损、罐道偏移、安装不正、工艺缺陷为故障树的基本子事件。确定了3种故障特征：①轴承故障导致的天轮噪声过大；②井架安装不正导致的井架倾斜；③天轮安装不正导致的天轮偏摆过大。

(2)对煤矿提升机振动信号监测方法的研究，主要是对提升机天轮的运行状态进行监测，并构建系统的软、硬件部分；对采集的提升机天轮振动信号进行处理。