提升系統(tǒng)與井塔結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試、故障診斷與狀態(tài)評(píng)價(jià)

何 根， 張長(zhǎng)會(huì)， 葉勁兵， 張 勇， 盛宏玉

（1．合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2．合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3．淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦，安徽 淮北 235136）

礦井提升系統(tǒng)是聯(lián)系井下與地面的一座橋梁。隨著煤礦事業(yè)的發(fā)展，開(kāi)采深度的加大，礦井提升系統(tǒng)的工作負(fù)荷也越來(lái)越大。煤礦提升設(shè)備與井塔結(jié)構(gòu)之間存在著動(dòng)力耦合作用，設(shè)備運(yùn)行這一內(nèi)在的振源要引起井塔結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)又要影響到提升設(shè)備的振動(dòng)。煤礦提升設(shè)備主要由提煤箕斗、鋼絲繩、摩擦輪、調(diào)速器和電動(dòng)機(jī)等組成，是一個(gè)比較復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外對(duì)提升系統(tǒng)作整體分析的研究成果很少見(jiàn)到報(bào)道，通常是對(duì)其中的某一部分進(jìn)行研究［1～4］。迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)提升系統(tǒng)與井塔結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)研究的報(bào)道較少，很多研究是將提升系統(tǒng)與井塔結(jié)構(gòu)分開(kāi)考慮［5～6］。為了解提升設(shè)備的動(dòng)力特性和振動(dòng)狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者開(kāi)展了對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試和對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷的研究［7～11］。通過(guò)合理的布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，對(duì)礦井提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷和評(píng)價(jià)。大部分的測(cè)試分析與研究工作主要涉及頻譜分析，從而確定設(shè)備的激振振動(dòng)的主頻是否會(huì)導(dǎo)致井塔結(jié)構(gòu)的共振。

本文以臨渙煤礦的采煤主井為對(duì)象，介紹了基于振動(dòng)測(cè)試對(duì)礦井提升系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備進(jìn)行故障診斷的方法。基于對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行幅值域、時(shí)域、頻域的綜合分析和譜陣分析，可以全面了解提升系統(tǒng)的振動(dòng)主頻，確定傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪的嚙合頻率，并由此找出產(chǎn)生提升設(shè)備振動(dòng)的主要原因。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)烈度指標(biāo)，對(duì)提升設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了合理評(píng)價(jià)。

1 工程概況

臨渙煤礦是淮北礦業(yè)集團(tuán)的主要大型煤礦，該礦采煤主井的塔高66米，設(shè)計(jì)8層，為方形框架式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；井塔的第8層位置安裝1套提升系統(tǒng)，由電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器、摩擦輪及6股鋼絲繩和2個(gè)提煤箕斗組成。箕斗滿載時(shí)總重為25噸，空載時(shí)總重為13噸。在提升過(guò)程中，滿載的箕斗提升，而空載的箕斗下落。結(jié)構(gòu)與動(dòng)力設(shè)備見(jiàn)圖1。

圖1 主井井塔結(jié)構(gòu)和提升系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備

為全面了解提升系統(tǒng)的動(dòng)力特性，掌握動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和井塔結(jié)構(gòu)的振動(dòng)水平，于2012年9月和2013年3月先后兩次對(duì)臨渙煤礦的提升系統(tǒng)和井塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試。選用了高靈敏度的速度和加速度傳感器，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了定量測(cè)量，給出了頻譜特性和振動(dòng)烈度的分析結(jié)果，以評(píng)價(jià)動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2 測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試方案

測(cè)試儀器系統(tǒng)由加速度傳感器、電荷放大器、16通道信號(hào)采集箱AZ316和南京安正軟件公司的動(dòng)態(tài)信號(hào)處理軟件SSCRAS組成，如圖2所示。測(cè)試采用了南京安正軟件工程有限責(zé)任公司研制的CRAS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)，使用的傳感器是北戴河電子儀器廠生產(chǎn)的YD－65型加速度傳感器，然后通過(guò)電荷放大器的硬件積分得到振動(dòng)速度信號(hào)。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)框圖

提升設(shè)備及附近的樓板各布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)軸承座的位置，其中，1＃測(cè)點(diǎn)為電機(jī)端軸承座，2＃和3＃為調(diào)速器兩端的軸承座，4＃測(cè)點(diǎn)為摩擦輪端軸承座。每個(gè)位置測(cè)點(diǎn)用4只傳感器，用4通道一次性采集信號(hào)，3只傳感器測(cè)量軸承座3個(gè)方向的振動(dòng)，另外1只傳感器測(cè)量附近樓板的垂直方向振動(dòng)。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)的頻譜分析

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析的目的是為了了解振動(dòng)的頻譜特性，掌握測(cè)試信號(hào)中所包含的頻率成分，從而為查找振源提供依據(jù)。本次測(cè)試主要分為動(dòng)力設(shè)備和樓板的振動(dòng)兩部分。根據(jù)設(shè)備和樓板的振動(dòng)頻率范圍不同，設(shè)備振動(dòng)測(cè)試的采樣頻率為2560Hz，分析頻率為1000Hz，共采集128頁(yè)數(shù)據(jù)，時(shí)間總長(zhǎng)度為51．2s，正好能覆蓋提升機(jī)的整個(gè)運(yùn)行全過(guò)程；樓板振動(dòng)測(cè)試的采樣頻率為256Hz，分析頻率為100Hz，共采集16頁(yè)數(shù)據(jù)，時(shí)間總長(zhǎng)度為64s。由于提升系統(tǒng)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)主要分為加速、勻速和減速3個(gè)階段，因此，在動(dòng)力設(shè)備上各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的頻譜特性是隨時(shí)間變化的。1＃軸承座在加速階段的垂向振動(dòng)信號(hào)如圖3所示，其振動(dòng)的主頻較低，而圖4所示的為勻速階段的垂向振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)的主頻要高很多。

圖3 啟動(dòng)階段的時(shí)域信號(hào)

圖4 勻速階段的時(shí)域信號(hào)

對(duì)于穩(wěn)態(tài)激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)，CRAS軟件根據(jù)所有各采集數(shù)據(jù)塊的頻譜圖作累積平均，最后給出的集總平均的頻譜曲線能反映出振動(dòng)信號(hào)中的主要頻率成分。2＃、3＃軸承座垂向振動(dòng)信號(hào)的頻譜曲線分別如圖5（a）和圖5（b）所示，振動(dòng)信號(hào)中包含的振動(dòng)主頻見(jiàn)表1，其中頻率237．5Hz對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)與調(diào)速器傳動(dòng)齒輪的1階嚙合頻率。

圖5 調(diào)速器兩端2＃、3＃軸承座振動(dòng)信號(hào)的頻譜曲線

4 調(diào)速器轉(zhuǎn)軸的嚙合頻率

主井提升系統(tǒng)中的減速器傳動(dòng)部分由一級(jí)定軸輪系和一個(gè)行星輪系組成，其中定軸輪系的輸入軸與電機(jī)軸相連齒數(shù)為31，為斜齒輪，螺旋角為15°，模數(shù)為10mm，與之嚙合的另一個(gè)齒輪的齒數(shù)1為43，行星輪系的中心太陽(yáng)輪齒數(shù)為24，三個(gè)均勻分布的行星輪齒數(shù)為37，大的太陽(yáng)輪為固定不動(dòng)的內(nèi)齒輪，其齒數(shù)為99，行星架為輸出軸，與摩擦輪相連。整個(gè)減速器的輸入軸與輸出軸的高差為530mm，調(diào)速器總傳動(dòng)比為7．1。

摩擦輪最大線速度為V＝9．6m／s，滾筒旋轉(zhuǎn)直徑D＝2．8m，其最大角速度為

而調(diào)速器的傳動(dòng)比7．1，故電機(jī)軸最大角速度為

換算成工程單位，電動(dòng)機(jī)輸入端的回轉(zhuǎn)頻率理論值為f1＝7．75Hz，調(diào)速器輸出端的回轉(zhuǎn)頻率理論值為f2＝1．09Hz。由此可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子與調(diào)速器齒輪的1階嚙合頻率為fa＝7．75×31＝240．25Hz，減速器行星輪系的嚙合頻率比較復(fù)雜，形成的是一個(gè)嚙合頻帶。

為了能反映各個(gè)時(shí)段振動(dòng)響應(yīng)頻譜的變化情況，CRAS軟件將各個(gè)采集數(shù)據(jù)塊的頻譜圖排列成矩陣形式，給出了譜陣曲線。2＃、3＃軸承座垂向振動(dòng)信號(hào)的譜陣曲線分別如圖6（a）和圖6（b）所示。

圖6 調(diào)速器兩端軸承座振動(dòng)信號(hào)的譜陣曲線

由圖6可以看出，提升系統(tǒng)電機(jī)端調(diào)速器的齒輪嚙合頻率為ˉfa＝237．5Hz，與表1中給出的主頻值一致，也與1階嚙合頻率的理論值fa＝240．25Hz非常接近，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果是可信的。

由圖6（a）和圖6（b）可以看出，在啟動(dòng)階段，2＃軸承座（調(diào)速器的輸入軸位置）的振動(dòng)響應(yīng)中包含的明顯的振動(dòng)主頻成分，表明調(diào)速器定軸輪系嚙合狀態(tài)不好。在2012年9月第1次測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，及時(shí)反饋給臨煥煤礦。煤礦及時(shí)組織技術(shù)力量對(duì)調(diào)速器的傳動(dòng)部分進(jìn)行了調(diào)整。當(dāng)2013年3月第2次測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)此狀態(tài)得到了明顯的改善。圖7給出了調(diào)整后2＃軸承座振動(dòng)響應(yīng)的頻譜曲線和譜陣曲線，可以看出，2＃軸承座振動(dòng)響應(yīng)中包含第1階齒輪嚙合頻率的成分已經(jīng)非常小了，說(shuō)明齒輪的嚙合狀態(tài)良好，第2次測(cè)試觀測(cè)到的各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)烈度也都比第1次測(cè)試結(jié)果小了很多，說(shuō)明此次對(duì)調(diào)速器進(jìn)行調(diào)整的效果比較理想。

圖7 調(diào)整后2＃軸承座振動(dòng)信號(hào)的頻譜曲線和譜陣曲線

5 提升系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)

5．1 評(píng)價(jià)參考標(biāo)準(zhǔn)

提升系統(tǒng)設(shè)備主要有電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器和摩擦輪。對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全影響最大的是振動(dòng)速度，因?yàn)樗俣雀芰柯?lián)系在一起。在10～1000Hz內(nèi)振動(dòng)速度的均方根值（RMS）稱為振動(dòng)烈度，因此，提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)以振動(dòng)烈度為考核指標(biāo)。

電動(dòng)機(jī)為上海電機(jī)廠1977年12月出廠的它激式變頻電機(jī)，型號(hào) ZD／60，1250kW，500／600轉(zhuǎn)／分。建議采用GB10068－2008中表1的有關(guān)參數(shù)，剛性安裝，軸中心高H＞280mm，振動(dòng)烈度限值為2．8mm／s（有效值）。調(diào)速器參考 GB／T 6404．2－2005，該標(biāo)準(zhǔn)1．2．1條規(guī)定振動(dòng)速度限值約10mm／s，考慮到煤礦提升機(jī)的重要等級(jí)以及工作始終處于變速狀態(tài)，這一限值顯得過(guò)于寬松，而1．2．2條新舊齒輪箱限值相差18倍。綜合考慮，建議采用振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)小于4．5mm／s為 A 類良好，4．5～7．1mm／s為B類可正常使用。摩擦輪參考GB11347－89中的評(píng)定等級(jí)規(guī)定:振動(dòng)烈度小于1．8mm／s為A級(jí)（針對(duì)新交付使用機(jī)器）；1．8～4．6mm／s為B級(jí)（機(jī)器可以長(zhǎng)期運(yùn)行）；4．6～11．2mm／s為C級(jí)（機(jī)器尚可短期運(yùn)行，但必須采取補(bǔ)救措施）；11．2～71．0mm／s為D級(jí)（停機(jī)，不允許運(yùn)行）。文獻(xiàn)11采用ISO／IS 3945及ISO／IS 2372振動(dòng)烈度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定與GB11347－89相同。

5．2 評(píng)價(jià)結(jié)果

表2給出了4個(gè)軸承座三個(gè)方向及附近樓板垂直方向振動(dòng)烈度的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)調(diào)速器調(diào)整前后的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

表2 振動(dòng)烈度的測(cè)試結(jié)果及對(duì)比（RMS：mm／s）

由表2可以看出，調(diào)速器的調(diào)整對(duì)降低整個(gè)提升設(shè)備和附近樓板的振動(dòng)水平效果明顯。從調(diào)整后的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)看，4個(gè)軸承座振動(dòng)烈度的最大值都小于有關(guān)規(guī)范的限值，表明整個(gè)提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)良好。考慮到各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)了短時(shí)間出現(xiàn)了最大峰值（如圖8所示的4＃測(cè)點(diǎn)樓板的振動(dòng)時(shí)域曲線），但測(cè)試信號(hào)中出現(xiàn)大峰值所占的時(shí)間比例很小，對(duì)整個(gè)振動(dòng)烈度的水平影響不大。綜合來(lái)講，根據(jù)建議的標(biāo)準(zhǔn)，所有測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)烈度都小于4．6mm／s，認(rèn)為機(jī)器可以長(zhǎng)期運(yùn)行。

圖8 4＃測(cè)點(diǎn)樓板垂直方向速度時(shí)程圖

6 結(jié) 論

本文以臨渙煤礦的采煤主井為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行幅值域、時(shí)域、頻域的綜合分析和譜陣分析，獲得了提升設(shè)備振動(dòng)的主頻信息，合理地對(duì)提升系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。由譜陣曲線確定的傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪嚙合頻率與理論值吻合較好，并由此找出了導(dǎo)致提升設(shè)備振動(dòng)的主要原因。經(jīng)過(guò)對(duì)調(diào)速器傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)整，有效地降低了整個(gè)提升系統(tǒng)的振動(dòng)水平。本文的研究結(jié)果表明，采用頻譜分析和譜陣分析相結(jié)合的方法，對(duì)于確定旋轉(zhuǎn)設(shè)備動(dòng)力響應(yīng)中的主振頻率，識(shí)別傳動(dòng)裝置中的故障信息是十分有效的。

煤礦提升系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)該設(shè)備能否長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重要手段。然而，只根據(jù)某一次在正常運(yùn)行條件下的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對(duì)于這種長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備，必須在設(shè)備安全監(jiān)測(cè)制度中加入對(duì)提升系統(tǒng)（包括電機(jī)和調(diào)速器）的定期檢測(cè)要求，配置振動(dòng)烈度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或由巡檢人員用手持式振動(dòng)測(cè)量?jī)x定期測(cè)量和記錄，建立測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)，并及時(shí)分析趨勢(shì)變化，以判斷是否需要采取維護(hù)措施。

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