煤礦多繩摩擦輪提升機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其故障診斷

摘 要：針對(duì)煤礦提升機(jī)提升系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，本文提出并設(shè)計(jì)了一種礦井提升機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、診斷和報(bào)警。同時(shí)將有限元模態(tài)計(jì)算和模態(tài)分析結(jié)合，利用ANSYS對(duì)提升機(jī)振動(dòng)進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果與提升機(jī)在實(shí)際情況下的振動(dòng)相符，為后期工作提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：多繩摩擦提升機(jī) 振動(dòng)測(cè)試 有限元 模態(tài)分析 ANSYS

中圖分類號(hào)：TD44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（a）-0074-02

地下采礦等行業(yè)使用較多的是一種關(guān)鍵運(yùn)輸機(jī)是多多繩摩擦式提升機(jī)，此類機(jī)器也是提升機(jī)未來的發(fā)展方向，它對(duì)于礦山生產(chǎn)中井下生產(chǎn)和地表運(yùn)輸紐帶之間的溝通的作用影響重大。提升機(jī)的主要承載裝置是電機(jī)主軸，其是否是正常運(yùn)行狀態(tài)對(duì)生產(chǎn)的效率和安全有直接的影響，整個(gè)系統(tǒng)的安全與之息息相關(guān)。根據(jù)振動(dòng)理論對(duì)主電機(jī)軸承和天輪軸承的監(jiān)測(cè)和分析，以達(dá)到解決提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行的振動(dòng)問題對(duì)現(xiàn)實(shí)有著重大意義。

1 系統(tǒng)硬件組成

（圖1）就是多繩摩擦提升機(jī)，它是一種大型低速、重負(fù)荷旋轉(zhuǎn)機(jī)械。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、卷筒和軸承等構(gòu)成了煤礦立井提升系統(tǒng)。振動(dòng)測(cè)試有兩個(gè)特殊點(diǎn)：（1）整棟具有規(guī)則的周期性。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)部件是大型設(shè)備的主要振動(dòng)測(cè)試對(duì)象。有三個(gè)方向是震動(dòng)測(cè)試的主要測(cè)試方向，也就是水平、垂直和軸向方向，因?yàn)椴煌姆较虿煌墓收蠒?huì)有不同的現(xiàn)象，比方說水平方向不平衡，垂直方向松動(dòng)，而軸向反映強(qiáng)烈的是不對(duì)稱。通常情況下會(huì)將徑向得像個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝在垂直方向，而水平方向最佳高度就是軸中心的高度

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用XZD-YB一體化振動(dòng)變送器，它將振動(dòng)速度傳感器、精密測(cè)量電路集成在一起，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的“傳感器十變送器”模式的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)型高精度振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該變送器可直接連接DCS、PLC或其它系統(tǒng)，是電機(jī)等設(shè)備振動(dòng)測(cè)量的理想選擇。采用西門子S7-300系列PLC接收振動(dòng)變送器的模擬量信號(hào)，完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，報(bào)警等功能。再通過PLC的以太網(wǎng)通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)到地面監(jiān)控中心的PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)在線顯示、報(bào)警、故障診斷分析等。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化拓?fù)鋱D如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件功能

該上位機(jī)系統(tǒng)是基于中文Windows XP平臺(tái)，采用WinCC V6.0組態(tài)軟件開發(fā)而成（圖2）。

（1）顯示功能。

立體流程畫面的顯示功能；具有多種類型圖表、系統(tǒng)圖、曲線圖，用戶界面更加直觀。

（2）報(bào)警功能。

根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同地點(diǎn)的預(yù)警值、報(bào)警級(jí)別及地理位置名稱。系統(tǒng)可以完成診斷結(jié)果的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，供設(shè)備管理使用，包括日、周、月、年的檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)報(bào)表和報(bào)警診斷結(jié)果報(bào)表。

（3）上傳功能。

實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳，輕松實(shí)現(xiàn)無人值守。按照系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)（通道參數(shù)、保存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間隔等）循環(huán)在線監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)預(yù)處理（有效值、最大值、平均值等統(tǒng)計(jì)）→報(bào)警狀態(tài)判別（如果有任何測(cè)點(diǎn)需要報(bào)警）→實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、棒圖、趨勢(shì)圖、時(shí)間波形等→定時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)→實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

（4）圖形表格。

用戶可定制各種表格：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、報(bào)警一覽表、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線等。

（5）查詢功能。

可以在系統(tǒng)圖上直接查詢?cè)O(shè)備信息、運(yùn)行情況、統(tǒng)計(jì)信息等。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表和數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，可以保存歷史數(shù)據(jù)以備后續(xù)的分析。

3 系統(tǒng)應(yīng)用案例分析

本系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于淮南顧橋礦主副井多繩摩擦提升系統(tǒng)。立井提升機(jī)整體是一個(gè)質(zhì)量和剛度分布十分不均勻的，由若干個(gè)零部件組成的大型復(fù)雜的機(jī)器系統(tǒng)，在計(jì)算分析振動(dòng)時(shí)，首先要做出較為合理的力學(xué)模型，使其既有利于理論分析計(jì)算，又能夠滿足工程上的精度要求。在把提升機(jī)整體的實(shí)際結(jié)構(gòu)抽象為力學(xué)模型的過程中，認(rèn)為井塔提升機(jī)大廳地基為剛性支承，略去各軸承座的彈性，把提升機(jī)系統(tǒng)離散成為多質(zhì)點(diǎn)。本文采用有限元方法和ANS

YS有限元分析軟件分析振動(dòng)參數(shù)。

（1）有限元法。

一般連續(xù)問題近似求解的數(shù)值方法就是有限元。在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中最早使用，之后在熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)問題中很快應(yīng)用。有限元方法密切結(jié)合了工程應(yīng)用，是為產(chǎn)品設(shè)計(jì)直接服務(wù)的。隨著有限元理論的不斷發(fā)展和完善，涌現(xiàn)了大量大小不一、專用的、通用的有限元結(jié)果分析程序。所以工程結(jié)構(gòu)中的一般問題現(xiàn)在直接可以使用通用程序求解，不用再另編計(jì)算程序，節(jié)省了大量精力和時(shí)間。

有限元三維彈性動(dòng)力學(xué)的基本方程是：

平衡方程

（在V域內(nèi)）

幾何方程（在V域內(nèi)）

物理方程（在V域內(nèi)）

邊界條件（在邊界上）

（在邊界上）

初始條件

式中為質(zhì)量密度；阻尼系數(shù)；和分別為對(duì)的二次導(dǎo)數(shù)和一次導(dǎo)數(shù)，即分別表示方向的加速度和速度。和分別為慣性力和阻尼力（取負(fù)值）。結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間而變化的荷載作用下，位移、速度、加速度、應(yīng)變、應(yīng)力將都是時(shí)間的函數(shù)。

（2）有限元三維實(shí)體動(dòng)力分析步驟。

三維實(shí)體有限元?jiǎng)恿Ψ治龅囊话悴襟E可以表述如下。

①連續(xù)區(qū)域的離散化。

在動(dòng)力分析中，因?yàn)橐肓藭r(shí)間坐標(biāo)，處理的是四維問題。在有限元分析中一般采用部分離散的方法，即只對(duì)空間域進(jìn)行離散。

②構(gòu)造插值函數(shù)。

由于只對(duì)空間域進(jìn)行離散，所以單元內(nèi)位移的插值表示是

③簡(jiǎn)化求解方程。

利用Galerkin提出的平衡方程與力的邊界條件的等效積分形式，同時(shí)將位移空間離散后的表達(dá)式和初始條件

代入，最終得到系統(tǒng)的求解方程常微分方程組。原則上可利用求解常微分方程組的常用方法（例如Runge-Kutta方法）求解，但是在有限元?jiǎng)恿Ψ治鲋?，因?yàn)榫仃囯A數(shù)很高，用這些常用算法一般是不經(jīng)濟(jì)的。本文主要用直接積分法和振型疊加法。

（3）有限元分析軟件ANSYS。

本文對(duì)提升機(jī)轉(zhuǎn)軸組件系統(tǒng)的模態(tài)分析使用的是美國(guó)大型ANSYS有限元分析軟件。ANSYS軟件本身融合了結(jié)構(gòu)、熱、液體、電磁、聲學(xué)，有限元分析作為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件。ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。由于ANSYS產(chǎn)品家族中的模態(tài)分析是一個(gè)線性分析，任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略，因此這里假設(shè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，進(jìn)行有限元剖分時(shí)采用了梁?jiǎn)卧?、質(zhì)量單元和彈簧單元，計(jì)算了滿載時(shí)前15階模態(tài)頻率見表1，同時(shí)利用MATLAB繪制出了前4階振型圖見圖3。

4 結(jié)論

分析計(jì)算模態(tài)的結(jié)果可以看出，如果該頻率和轉(zhuǎn)軸組件系統(tǒng)的軸向、徑向和扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的模態(tài)頻率，頻率處會(huì)比較容易出現(xiàn)峰值，計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果會(huì)等同于實(shí)測(cè)信號(hào)的分析結(jié)果，而模態(tài)頻率附近的頻帶范圍經(jīng)常出現(xiàn)譜峰，也就是轉(zhuǎn)軸組件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)的實(shí)際情況是和建立的有限元計(jì)算模型相符的。我們將進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，為今后煤礦立井提升系統(tǒng)的振動(dòng)改善做出理論指導(dǎo)。

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