基于中部槽振動(dòng)分析的刮板鏈故障診斷研究

張凱紅

摘 要：本文針對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中受力不均造成刮板鏈故障的現(xiàn)象，提出了中部槽振動(dòng)分析的刮板鏈故障診斷方法，通過數(shù)值模擬，得到建立的模型下可以良好的反應(yīng)刮板輸送機(jī)中部槽振動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)空載、半載、滿載狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)下刮板鏈故障診斷研究中，得到不同故障信號(hào)下故障信息頻率范圍不同，高能量信號(hào)區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)也會(huì)不同，證明了該方法的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：中部槽;刮板鏈;數(shù)值模擬

刮板輸送機(jī)是礦井重要的運(yùn)輸設(shè)備，在井下惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下，常常因?yàn)槭芰Σ痪鶆?、部件之間的復(fù)雜力學(xué)導(dǎo)致刮板鏈故障的發(fā)生[1]。眾多學(xué)者對(duì)刮板鏈故障進(jìn)行了研究，但多集中于算法上的研究，忽略了實(shí)際背景，工程適應(yīng)性差。刮板輸送機(jī)是在刮板鏈和中部槽形成的閉環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)作用下運(yùn)行，三者之間存在著相互作用關(guān)系。在不同運(yùn)行狀態(tài)下，中部槽振動(dòng)特性不同，可以直觀的反應(yīng)刮板鏈的運(yùn)行狀態(tài)。因此本文針對(duì)刮板鏈卡鏈、斷鏈現(xiàn)象，對(duì)中部槽的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，提出了基于中部槽振動(dòng)分析的刮板鏈故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刮板鏈運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

1 有限元分析及傳感器布置

通過設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷是礦井設(shè)備監(jiān)測(cè)的主要手段之一，對(duì)于刮板輸送機(jī)的中部槽而言，根據(jù)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)值模擬研究其動(dòng)態(tài)特不失為一種良好的方法。模擬中將振動(dòng)信號(hào)與模態(tài)參數(shù)對(duì)應(yīng)，根據(jù)刮板輸送機(jī)中部槽振動(dòng)特性進(jìn)行模擬，模擬振動(dòng)方程如下：

Mδ（t）+DPδ（t）+Kδ（t）=Bf（t）（1）

y=Cdδ（t）+Cvδ（t）+Df（t）（2）

公式（1）、（2）中，質(zhì)量矩陣為M;阻尼矩陣為DP;剛度矩陣為K;受力矩陣為f（t）;位移矩陣為δ（t）;模擬過程中忽略阻力系數(shù)的影響，假設(shè)f（t）=0，則模擬方程可簡(jiǎn)化成以下公式：

Mδ（t）+Kδ（t）=0（3）

進(jìn)行位移響應(yīng)歸一化處理，得到：

δ（t）=φsinωt（4）

式中，特征向量為φ;運(yùn)行角頻率為ω。

2 中部槽振動(dòng)數(shù)值模擬

利用ANSYS數(shù)值模擬軟件對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行振動(dòng)研究，通過有限元分析法將中部槽分解成若干個(gè)離散的單體，不同單體之間通過節(jié)點(diǎn)連接，利用上述公式對(duì)節(jié)點(diǎn)建立方程，經(jīng)加權(quán)處理得到中部槽的振動(dòng)特性，為了方便對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行分析，利用模態(tài)分析法將模擬結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，得到平面坐標(biāo)系下中部槽振動(dòng)特性曲線，分析更加方便直接。具體的建模分析過程如下：①進(jìn)行建模和模態(tài)分析時(shí)，需要建立相關(guān)的數(shù)值計(jì)算模型，本文中中部槽數(shù)值模型為實(shí)體單元，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況，數(shù)值模型中包括中部槽和部分刮板、刮板鏈。中部槽數(shù)值分析模型如圖1所示;②數(shù)值模擬參數(shù)如下：中部槽材料的密度值為7536kg/m3，材料的彈性模量為208GPa，泊松比為0.28，利用軟件中自帶的網(wǎng)格劃分方法對(duì)模型進(jìn)行單元和節(jié)點(diǎn)劃分，共劃分753264個(gè)單元和1023658個(gè)節(jié)點(diǎn);③模擬過程的邊界條件設(shè)置如下：不同部位之間的約束不同，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行約束條件設(shè)置，橫鏈和刮板輸送機(jī)之間的約束為固定約束，中部槽與立鏈之間、刮板以及鏈條之間的約束都為接觸約束。本文中對(duì)中部槽的振動(dòng)分析通過振動(dòng)信號(hào)的疊加實(shí)現(xiàn)，因此無(wú)需施加外部載荷，不同振動(dòng)信號(hào)下中部槽的振動(dòng)特性差異大，為了探究不同階級(jí)下振動(dòng)模態(tài)對(duì)中部槽的影響，進(jìn)行多個(gè)振動(dòng)模態(tài)下的數(shù)值模擬;④6次模擬振動(dòng)頻率分別為173.56Hz、181.51Hz、284.21Hz、301.25Hz、318.24Hz、340.28Hz。

對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)不同振動(dòng)頻率下設(shè)備固有頻率進(jìn)行提取，通過模態(tài)分析法處理結(jié)果對(duì)中部槽進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)不同階段的模態(tài)固有頻率進(jìn)行誤差分析，得到表1所示的結(jié)果。

從表中可以看出，當(dāng)模態(tài)處于第2階時(shí)，誤差值最大達(dá)到12.9%，當(dāng)模態(tài)處于第6階時(shí)，誤差值最小達(dá)到2.1%，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在所建立的模型下可以良好的反應(yīng)刮板輸送機(jī)中部槽振動(dòng)特點(diǎn)，為中部槽振動(dòng)分析的刮板鏈故障診斷提供了依據(jù)。

3 基于振動(dòng)信號(hào)分析的刮板鏈故障診斷

刮板輸送機(jī)是礦井重要的運(yùn)輸設(shè)備，其中中部槽是重要的承載部件，上文根據(jù)振動(dòng)信號(hào)對(duì)中部槽進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示利用振動(dòng)信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷的可行性。

根據(jù)礦井實(shí)際運(yùn)行狀況和振動(dòng)響應(yīng)特征對(duì)刮板輸送機(jī)卡鏈故障進(jìn)行研究。在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)輸中，刮板輸送機(jī)的卡鏈故障是最為常見的一種故障，一旦發(fā)生卡鏈故障，電機(jī)運(yùn)行失常，設(shè)備出現(xiàn)卡頓、速度異常，往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)。本文中定義卡鏈故障時(shí)，鏈條的運(yùn)行速度為V，故障發(fā)生的時(shí)間為1s，持續(xù)時(shí)間為3s，在故障發(fā)生的3s內(nèi)，鏈條速度從V降到了0，速度的突然降低會(huì)使得鏈條之間接觸緊密，出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。隨后增大鏈條的運(yùn)行速度，使其達(dá)到1m/s，直至設(shè)備運(yùn)行正常。

模擬刮板鏈在空載、半載、滿載狀態(tài)下卡鏈以及斷鏈故障振動(dòng)信號(hào)，得到結(jié)果，空載狀態(tài)下發(fā)生卡鏈故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)在0.5s出現(xiàn)明顯的高能量信號(hào)區(qū)，此時(shí)設(shè)備的運(yùn)行頻率低于50Hz;當(dāng)發(fā)生斷鏈故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)在0.6s、0.8s出現(xiàn)兩次明顯的高能量信號(hào)區(qū)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍為80Hz-180Hz。

在半載運(yùn)行狀態(tài)下，振動(dòng)信號(hào)在0.5s出現(xiàn)明顯的高能量信號(hào)區(qū)，此時(shí)設(shè)備的運(yùn)行頻率低于150Hz;當(dāng)發(fā)生斷鏈故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)在0.6s、0.8s出現(xiàn)兩次明顯的高能量信號(hào)區(qū)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍為50Hz-230Hz。

在滿載運(yùn)行狀態(tài)下，振動(dòng)信號(hào)在0.5s出現(xiàn)明顯的高能量信號(hào)區(qū)，此時(shí)設(shè)備的運(yùn)行頻率低于250Hz;當(dāng)發(fā)生斷鏈故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)在0.6s、0.65s出現(xiàn)兩次明顯的高能量信號(hào)區(qū)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率范圍為50Hz-330Hz。

對(duì)比分析不同負(fù)載狀況下刮板鏈中部槽的振動(dòng)信號(hào)：當(dāng)刮板鏈發(fā)生故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)會(huì)出現(xiàn)明顯的高能量信號(hào)區(qū)，不同故障情況下高能量信號(hào)區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)不同，究其原因，故障信息觸發(fā)的振動(dòng)信號(hào)不同導(dǎo)致功率值的差異，不同故障信息頻率范圍不同，由此可見，通過中部槽振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障識(shí)別與診斷是一種有效準(zhǔn)確的方法。

基于中部槽振動(dòng)分析的刮板鏈故障診斷研究中，主要通過數(shù)值模擬對(duì)振動(dòng)分析故障方法進(jìn)行了研究，證明了該方法的可行性，后續(xù)還需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用觀察效果。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)中部槽振動(dòng)分析的刮板鏈故障診斷研究，得到以下結(jié)論：①基于中部槽數(shù)值分析模型，對(duì)不同振動(dòng)頻率下設(shè)備固有頻率進(jìn)行提取，誤差分析結(jié)果顯示，誤差值最大達(dá)到12.9%，誤差值最小達(dá)到2.1%，證明了所建模型可以良好的反應(yīng)刮板輸送機(jī)中部槽振動(dòng)特點(diǎn);②對(duì)空載、半載、滿載狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)下刮板鏈故障診斷研究中，得到不同故障信號(hào)下故障信息頻率范圍不同，高能量信號(hào)區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)也會(huì)不同。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑞生.刮板輸送機(jī)故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開發(fā)，2018（8）：38.