矿井提升机振动监测系统的设计及其故障诊断.pdf

第 2期 2 0 0 8年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i on NO ． 2 AD r ．2 0 0 8 文章编 号 1 6 7 1 ～2 5 1 X 2 0 0 8 0 2 0 1 0 8 0 3 矿井提升机振动监测系统的设计及共故障诊断 刘 芬 ， 孟淑 琴 1 ． 河北科技大学机械电子工程学院，2 ． 石家庄职业技术学院 ， 河北 石家庄0 5 0 0 0 0 摘要 针对某矿提升机传动系统的运行现状 ， 文章提 出并设计 了一种矿 井提 升机振动监 测 系统 ， 该 系统 可 实现矿井提升机的在线状态监测、 诊断和预报。文章还举例说 明了振动分析在提升机减速 器齿轮故障诊 断方面的应 用， 测试分析结果较好地反映 了提升机减速器的真实_T - 况和故障。 关键词 矿 井；提升机 ； 在线监测 ； 故障诊断；振动分析 中图分类号 T D 5 3 4 ． 6 ； T P 3 0 6 文献标识码 B 0 引言 多绳摩擦式提升机是井下采矿等行业中广泛使 用 的一种关键运输设备 ， 其运行状况正常与否直接 影响生产的效率和安全 。金川二矿区提升机处于变 速变载的工作状态 ， 机器负载变化较大， 故障发生率 较高， 主要故障原因是设备本身结构原 因、 安装调整 精度低 、 超载运行 、 润滑不 良、 维护不善等 ， 曾发生减 速机低速轴断轴的重大事故 。针对该矿提升机传动 昙 。 -- i i -- i 。 、 古龠 新 撂士 亘 寄 青 休 僖 系 统 的 状 况， 笔 者 设 计了 振 动 监 测 系 统， 并 以 提 升 机1 9 6 4 作 者 简 介 刘芬 -- ， 女 ， 副 教 授 ， 主 要 研 究 方 向 为 流 体 传 。 ’ ” 动与控制、 测试技术。 减速器齿轮故障为例进行 了诊断分析。 通过蒙特卡罗法求得 的， 包括煤层气待探明资源量、 地质资源量、 剩余可采资源量 、 可采资源量等 ， 得到 5 结语 9 5 、 5 0 ％、 5 ／ oo 概率 下 的煤层 气 资 源量 值 ， 并 以 ● 5 0 概率下的资源量值作为所求的值 。 峰峰矿区 地质资源量系列 已探 明储量 待探 明资源量 地质 资源量 ／ 1 0 s ． m 3 9 5 ％ 5 0 ％l 5 ％l 期 望 值 9 5 ％ 5 o ％l 5 ％ 期 望 值 1 4 3 8 9 2 4 ．9 I 2 8 8 _5 】 } 3 4 2 ．7 2 l 2 7 8 ．7 1 3 0 3 9 7 4 3 2 4 l 5 ] 7 4 4 4 l7 9 4 I I 剩余可采资源量 可采资源最 可采姿源量系列 已采出资源量 ／ 1 O ． 1113 9 5 ％ 5 0 ％j 5 ％I 期 望 值 9 5 ％ 5 o ％I 5 ％ 期 望 值 l I 7 4 3 3 ．2 5 4 7 _6 4 f 5 7 ，3 5 l 4 6 ，0 8 4 5 ，2 9 6 4 ．4 3 l 7 7 1 6 2 ，2 7 图 4 资源汇总界面 陕西科 学技术出版社 ， 1 9 9 1 ． 1 运 用 VB 6 ． 0为开 发语 言 ， 在 Ma p I n f o公 司 的二次 开发 工具 Ma p X 的支 持 下 ， 设计 并 开 发 了煤 层气资源管理信息系统。 2 该系统 可实现煤层 气资源 信息一体 化管 理， 通过蒙特卡罗法可得到最大可能的资源量值。 参 考 文 献 E l i 张新 民， 张遂安 ， 钟 玲文． 中国 的煤层 甲烷 [ M] ． 西安 [ 2 ] 唐书恒 ， 史保 生 ， 张春才 ． 煤 层气资 源量计算 方法探讨 E J ] ． 中国煤 田地质 ， 1 9 9 9 ， l l 1 ， 3 6 ～3 8 ． [ 3 3 尹增谦 ， 管景 峰 ， 张晓宏 ， 等 ． 蒙特卡 罗方 法及应用 E J ] ． 物理与工程 ， 2 0 0 2 ， 1 2 3 4 5 ～4 9 ． [ 4 ] 许英姿 ， 余 宏 明， 唐 辉明。 蒙特卡罗 法在某 厂 区土坡稳 定性评价 中的应 用E J ] ． 水文 地质 工程地 质 ， 2 0 0 2 2 4 9～ 5 2． [ 5 ] 扈文秀． 用蒙特卡罗模拟 法进行 项 目概率 分析及 其微 机实现 E J ] ． 西安 理工大学 学报 ， 1 9 9 5 ， 1 1 1 6 4 7 1 ． 维普资讯 2 0 0 8年第 2期 刘 芬等 矿 井提 升 机振 动监 测 系统的设 计及 其故 障诊 断 ．1 0 9 ． 1 系统 总体 结构 ] 提升机属于低速 、 重负荷设备 。如图 1 所示 ， 提 升机传动系统包括驱动电机、 联轴器 、 减速器、 卷筒 、 轴承支撑等。提升机传动系统如果出现润滑不 良、 齿轮 、 轴承或者轴的故障， 均会导致振动出现异常 。 通过监测振动信号的特征参量 ， 可以及时发现齿 轮 和轴承等的早期故障。 Z 3 r - 一 Z 2 - ● z 正 ‘ ● ● Zl ’ _ ＼ _ _ ● _ 2 5 ． 1 一 电 机 ； 2， 4 一 联 轴器 ； 3一减 速 器 ； 5一卷 简 图 1 提升机传动系统结构 图 一 台提升机监测系统的振动测点主要在电机轴 承处 、 减速器各轴的轴承座处 、 卷筒两侧支撑轴承座 处 等 。 2 系统 硬件 构成[ 3 测试提升机各传动部件的振动频率要求振动传 感器及配套设备具有 良好的低频特性 ， 并覆盖高频。 监测系统的数据采集器安装在提升机附近 ， 采用完 全密闭的机箱 ， 数据采集器的主机防潮 、 防尘 ， 就 近 安装在被监测设备的工业 现场 ， 这样就可减少弱信 号的传输长度 ， 防止噪声干扰 ， 提高了监测系统的可 靠性 。数据采集器工作原理框 图如 图 2所示 。现场 数据采集器负责完成传感器的供电、 信号放大、 抗混 滤波 、 A／ D转换 、 DS P芯片数据处理 等。采集到的 振动数字信号通过网线远距离传送到主控室中的专 用监测计算机进行数据显示 、 分析 、 报警 、 存储 。 图 2 数据采集器工作原理框图 考虑到可靠、 实用、 留有技术储备 ， 监测系统采 用计算机管理。该计算机可同时监测 8台提升机， 可实时监测提升机的工作状态 ， 实现振动报警 、 常见 故障诊断等。系统 留有网络化接 口， 为将来构建设 备监测与故障诊断 网络化 系统 、 实现监测数据网上 浏览 、 远程故障诊断作好了技术准备 。 该监测系统可以定位为～个在线监测子系统 ， 随着设备监测 、 巡检工作的深入 ， 该系统与相关工艺 参数监测 、 点检子系统 、 设备管理子系统等可以共 同 组建公 司设备监测 与故 障诊断网络化系统 ， 如图 3 所示 。 技 企 业 主 干 网 _ L 1 L 一 』 凰 监 测 站 局 域网 I 信息 数 据 库 服务 器 厂 ] 亘 鹜 现 场 监 测 点 集 器 传 惑 器 传 惑 器 测 点 测点 图 3 设备监测与故障诊断 网络化系统拓扑 图 该状态监测子系统向下通过以太 网和串行通信 与数据采集器相连 ， 向上通过 HUB与 D C S系统联 网， 以便有关部门随时了解设备的运行状况 。状态 实时监测子系统功能由 1台工控机实现， 其主要任 务是对由数据采集子系统所采集到的机组监测信号 作进一步的分析处理 ， 以动画方式实时显示测量值 ， 并可通过时域分析 、 幅值域分析、 频谱分析等方式提 取各振动测点的特征值 ， 同时还可以调用信号分析 服务器中的资源对数据进行倒频谱 、 共振解调分析。 这些图形和数据很直观地向现场工作人员和诊断工 程师提供 了机组当前 的运行状态 ， 据此可判断机组 运行是否正常， 可实现异常工况 的 自动报警并 自动 进行初步的故障诊断 。另外 ， 状 态监测子系统中的 数据管理模块根据机组的不同运行状态 ， 可 向数 据 库 自动存储有关的典型数据 ， 形成年 、 月 、 日、 周 、 小 时和启、 停机数据库 ， 以便将来进行趋势分析、 故障 预报和故障的精密诊断 。 3 系统 软件 功能 该软件基于中文 wi n d o ws XP平台， 采用Vi s u a l C 6 ． 0编程 。 1 系 统 主界 面 系统主界面分为主菜单 、 图形属性栏、 标准工具 维普资讯 1 1 0 工矿 自动 化 2 0 0 8年 4月 栏、 系统参数栏 、 采样控制栏 、 通道参数栏及波形显 示、 分析窗 口。 2 状态监测和数据采集 按照系统设定的参数 通道参数、 保存监测数据 间隔等 循环在线监测 实时数据采集一数据预处理 有效值、 最大值 、 平 均值 等统计 一报警 状态判别 如果有任何测点需要报警 一实时显示数据 、 棒图、 趋势 图、 时间波形 、 频谱 图等一定时将监测数据存人 数据库一实时数据采集 。 3 监测数据查询 、 分析 、 报表输出 系统具备实 时数据和历史数据的列表查询 、 趋 势分析、 波形显示 、 频谱分析、 无量纲趋势等相关分 析。时域波形分析包括原始波形分析和滤波波形分 析。波形 以网格形式显示 ， 各波形具有放大、 缩小等 功能。频域分析包括 F F T变换结果分析 、 通频全息 谱分析 、 三维功率谱分析 、 互谱分析等 。系统可完成 诊断结果的统计报表 ， 供设备管理使用 ， 包括 日、 周 、 月 、 年的检测结果统计报表和报警诊断结果报表。 4提 升 机减速 器 振动 案例 分析 金川二矿西副井 1 提升机减速器采用结构对 称、 功率分流形式 ， 是我国大多数多绳摩擦提升机使 用的一种弹簧基础减速器。 其结构如图 1 所示 ， 各齿轮齿数 Z 一4 8 ， Z z 一 1 2 9 ， Z 3 3 5 ， Z 9 6 ， Z 5 3 5 ， Z 6 1 2 9 ， 其 中 Z 2和 Z 。 为 同 型 号 的 齿 轮 ， Z 。和 也 是 同 型 号 的 齿 轮 ， 它们分别对称布置于齿轮 Z 和 Z 的两侧 ； 电机为 直流调速 电机 ， 卷筒直径为 2 8 0 0 mm。1 提升机 提升速度为 8 m／ s 时 ， 减速器输 出轴 和卷筒的转动 频率 为 0 ． 9 1 Hz ， 电机 和 减 速 器 输 入 轴转 频 为 6 ． 7 Hz ， 减 速器 的第 一级 啮合 频 率 f 一3 2 2 Hz 、 第 二级 啮合 频率 f 2 8 7 ． 4 Hz 。 从卷筒右侧的轴承座上 靠近减速器输 出轴侧 的轴承座 测得的振动速度时域和频谱 图如图 4和 图 5所示 。从 图 4可看 出波形存 在 明显调 幅 ， 在 1 0 s 内振动波形发 生了 9次周期性变化 ， 即一高频 振动被一低频振动调制 ， 低频振动频 率为 0 ． 9 Hz ， 与卷筒的转动频率 0 ． 9 1 Hz 基本一致 。从图 5 可看 出第二级啮合 的啮合频率 及其倍频成分 2 f 2 、 3 f 。 占主要成分 ， 第二级啮合频率 及其倍频 2 f z 、 3 两边存在明显的边频带 ， 边带陡而窄。 综上测试及分析 ， 初步推断减速器输出轴上齿 轮 Z 4的齿面可能出现磨损 。停机开箱检查 ， 发现输 出轴上齿轮 的齿面发生均匀磨损 ， 与监测推断基 本 一致 。 趟 瑙 图 4 卷筒右侧轴 承座 上测得的振动速度时域 图 。 善1 ．5 遥 嚣 0 ． 5 X 8 0 ．0 Y 1 2． 0 -U々 ’ ， 一 I ～ L ． u - L ． “ 一 J． O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 频 率／ H z 图 5 卷筒右侧轴承座上测得 的振动速度频谱 图 5 结 语 本文针对提升机传动系统的运行状况设计了提 升机振动在线监测系统 ， 采用信号时域、 频域分析相 结合的方法对提升机进行 了振动监测和故 障诊断 ， 测试分析结果较好地反映了提升机的真实工况和故 障状态 ， 为采矿行业提升机的检修 和维护提供了技 术 支持 。 参考文献 E l i 屈梁生 ， 何正嘉． 机械故 障诊 断学 E M3 ． 上海 上 海科 学技术出版社 ， 1 9 8 6 ． E 2 3 韩 捷， _ j 长 瑞林． 旋转机械故障机理及诊断技术E M3 ． 北京 机 械工 业出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 3 ] 瞿璺， 赖旭 ， 朱建林． 水电机组在线状态监测 和故 障诊断 网络化 系统 的设 计与实现[ J 3 ． 电工技术学报 ， 2 0 0 5 ， 2 0 3 9 4 ～ 9 9 ． [ 4 ] 张辉 ， 陈明邦． 造纸机 压榨部 在线 监测 与故 障诊断 系统研究E J 3 ． 振动、 测试与诊断， 2 0 0 4 ， 2 4 4 2 8 5 ～ 289 ． [ 5 ] 虞和济． 故障诊断的基本原理[ M] ． 北京 冶金工业出 版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 6 3 黄文虎 ， 夏松 波 ， 刘瑞 岩． 设备 故障诊 断原 理 、 技术 及 应用E M] ． 北京 科学 出版社 ， 1 9 9 6 ． 维普资讯