摩擦式提升機(jī)鋼絲繩抖動(dòng)故障診斷與分析

寇紅杰，贠二偉，熊 健，胡桂花

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039 2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039 3金川集團(tuán)股份有限公司三礦區(qū) 甘肅金昌 737100

摩擦式提升機(jī)依靠摩擦力來提升重物，就其工作原理來說，它與纏繞式提升機(jī)最大的區(qū)別在于其鋼絲繩不是纏繞在卷筒上，而是搭在摩擦輪上，在繩的兩端各懸掛一個(gè)提升容器，借助于安裝在摩擦輪上的繩槽和鋼絲繩之間的摩擦力來傳遞提升的動(dòng)力，使提升容器上下移動(dòng)，從而完成物料、人員的提升或下放。

從摩擦式提升機(jī)的運(yùn)行原理可以看出，鋼絲繩的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)提升系統(tǒng)起著關(guān)鍵性的作用，一旦鋼絲繩出現(xiàn)問題，往往給整個(gè)提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來危害[1-2]。比如當(dāng)鋼絲繩出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致摩擦力的不穩(wěn)，當(dāng)抖動(dòng)幅度變大或抖動(dòng)時(shí)間延長時(shí)，很容易出現(xiàn)滑繩事故，損傷摩擦襯墊，而摩擦襯墊的損傷又會(huì)加劇鋼絲繩的抖動(dòng)，從而產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

但是目前礦山設(shè)備的管理部門對(duì)鋼絲繩抖動(dòng)問題不夠重視，出現(xiàn)問題后無視問題的存在，使得設(shè)備帶病運(yùn)行，導(dǎo)致事故頻發(fā)。因此，亟待對(duì)鋼絲繩抖動(dòng)產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析[3-4]。

1 提升系統(tǒng)運(yùn)行情況和故障描述

某礦山副井摩擦式提升機(jī)型號(hào)為 JKMD-3.25×6(Ⅲ)E，采用低速直連直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率為 800 kW，轉(zhuǎn)速為 42 r/min，采用剛性罐道單罐籠配平衡錘的提升方式，使用的是同一廠家、同一型號(hào)、同一批次生產(chǎn)的鋼絲繩。

在運(yùn)行中，存在鋼絲繩抖動(dòng)的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為提升鋼絲繩在提升機(jī)房出繩口處有明顯的上下擺動(dòng)，無論是配重上提或下降，抖動(dòng)都會(huì)存在。

2 故障診斷方案設(shè)計(jì)

對(duì)鋼絲繩抖動(dòng)問題進(jìn)行初步分析，判斷故障原因可能是井架變形或鋼絲繩繩槽直徑不一致。當(dāng)井架某個(gè)角的地基出現(xiàn)下沉?xí)r，會(huì)導(dǎo)致天輪軸傾斜，鋼絲繩在運(yùn)行中出現(xiàn)行程差，從而使鋼絲繩張力不平衡，致使鋼絲繩抖動(dòng)。但實(shí)際測量了天輪軸與主軸裝置的平行度后，發(fā)現(xiàn)井架并未出現(xiàn)變形，提升機(jī)主軸中心線與天輪軸中心線平行度良好，排除井架變形。對(duì)于繩槽的問題，通過和礦方的溝通交流，確認(rèn)該礦定期對(duì)繩槽進(jìn)行車削，且實(shí)際測量結(jié)果顯示繩槽的有效直徑一致，也排除繩槽的問題。

在提升機(jī)運(yùn)行中，偶然發(fā)現(xiàn)司機(jī)操作臺(tái)顯示屏處的系統(tǒng)速度圖有輕微的上下跳動(dòng)，但由于分辨率較差，不能顯示細(xì)節(jié)。是否為電控系統(tǒng)故障或者主軸故障，導(dǎo)致速度圖出現(xiàn)周期性跳動(dòng)？帶著這些疑問，筆者把研究重點(diǎn)放到以下 3 個(gè)方面：一是鋼絲繩張力是否平衡，這是導(dǎo)致鋼絲繩抖動(dòng)的直接原因；二是提升機(jī)電控是否出現(xiàn)故障；三是提升機(jī)主軸承是否存在故障。針對(duì)上述 3 個(gè)方面，設(shè)計(jì)了以下測試方案。

2.1 鋼絲繩張力測試方案

鋼絲繩張力可以通過測量振動(dòng)頻率后計(jì)算得到[5-6]。根據(jù)弦振動(dòng)理論，忽略垂直效應(yīng)和抗彎剛度，鋼絲繩張力

式中：m為鋼絲繩單位長度質(zhì)量，kg/m；L為鋼絲繩長度，m；n為自振頻率的階數(shù)；fn為鋼絲繩第n階自振頻率，Hz。

在m和L保持不變的情況下，鋼絲繩張力T與鋼絲繩自振頻率fn的平方成正比。通過測振儀器和軟件分析可以得到自振頻率fn，利用式 (1)得到 6 根鋼絲繩的張力值，最后通過計(jì)算確定鋼絲繩張力的偏差。

2.2 提升機(jī)電控測試方案

判斷提升機(jī)運(yùn)行是否穩(wěn)定，最常使用的測試方法就是對(duì)比提升機(jī)的運(yùn)行速度和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流。通過智能測試儀對(duì)兩項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集提升機(jī)配重上提時(shí)的速度運(yùn)行曲線和電動(dòng)機(jī)電流曲線，分析曲線變化規(guī)律，從而判斷提升機(jī)運(yùn)行是否平穩(wěn)。

2.3 主軸承振動(dòng)測試方案

在提升機(jī)正常運(yùn)行下，利用測振儀器對(duì)電動(dòng)機(jī)和滾筒的連接主軸承進(jìn)行振動(dòng)檢測，經(jīng)過儀器自帶的軟件進(jìn)行頻譜分析后得到振動(dòng)頻譜圖，再與軸承的故障頻率進(jìn)行比對(duì)，從而判斷頻譜中是否存在軸承的故障頻率，進(jìn)而確定主軸承是否存在故障。主軸承振動(dòng)測試測點(diǎn)及方向如圖 1 所示。

圖1 主軸承振動(dòng)測點(diǎn)位置及方向Fig.1 Location and direction of vibration testing points for main bearing

在提升機(jī)正常提升時(shí)，分別在主軸承的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端，對(duì)主軸承的水平、垂直和軸向 3 個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測。

3 故障診斷分析

3.1 鋼絲繩張力測試分析

鋼絲繩張力測試在 2 種工況下進(jìn)行，分別是配重在井口時(shí)和配重在井底時(shí)。測試時(shí)，提升機(jī)要保持靜止?fàn)顟B(tài)，用小錘依次敲擊鋼絲繩，并用測振儀器記錄數(shù)據(jù)。從非驅(qū)動(dòng)側(cè)到驅(qū)動(dòng)側(cè)的鋼絲繩編號(hào)為 1～6，如圖 2 所示。鋼絲繩振動(dòng)測試結(jié)果如表 1 所列。

圖2 鋼絲繩振動(dòng)測試示意Fig.2 Sketch of vibration test for wire rope

由表 1 計(jì)算可知，當(dāng)配重在井口時(shí)，鋼絲繩張力的最大偏差為 8.3%；當(dāng)配重在井底時(shí)，鋼絲繩張力的最大偏差達(dá)到了 13.6%。井底時(shí)，鋼絲繩張力的最大偏差超過了《煤礦安全規(guī)程》第 411 條要求的“任一根提升鋼絲繩的張力同平均張力之差不得超過±10%”[7]，表明這 6 根鋼絲繩所承受的拉力不平衡。因此，確定鋼絲繩振動(dòng)的原因是張力不平衡。

表1 鋼絲繩振動(dòng)測試結(jié)果Tab.1 Results of vibration test for wire rope

3.2 提升機(jī)電控系統(tǒng)測試分析

提升機(jī)的運(yùn)行由電控系統(tǒng)控制，使用智能測試儀采集提升機(jī)配重上提時(shí)的速度曲線和電動(dòng)機(jī)電流曲線，如圖 3、4 所示。為了分析提升機(jī)最大速度運(yùn)行時(shí)提升速度和電動(dòng)機(jī)電流的細(xì)節(jié)變化，通過處理得到局部放大圖，如圖 5、6 所示。

由圖 5 可知，提升機(jī)配重上提時(shí)，運(yùn)行速度有明顯的周期性變化，周期為 14.7/10=1.47 s，頻率為周期的倒數(shù)，通過計(jì)算得到速度變化頻率f1=1/1.47≈0.68 Hz。

由圖 6 可知，提升機(jī)配重上提時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流同樣有明顯周期性變化，周期為 14.6/10=1.46 s，頻率f2=1/1.46≈0.68 Hz。

綜合上述計(jì)算，提升機(jī)運(yùn)行速度和電動(dòng)機(jī)電流出現(xiàn)同頻率周期性變化，初步判斷可能是由于提升機(jī)的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)電流出現(xiàn)周期性變化，進(jìn)而引起速度的周期性變化。

3.3 主軸承座振動(dòng)結(jié)果頻譜分析

按照 2.3 中制定的方案，在提升機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)主軸承的驅(qū)動(dòng)端進(jìn)行振動(dòng)測試，其水平方向和垂直方向的振動(dòng)頻譜如圖 7、8 所示。

圖3 配重上提時(shí)提升機(jī)的運(yùn)行速度曲線Fig.3 Variation curve of operating speed of hoist lifting counterweight

圖4 配重上提時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流曲線Fig.4 Variation curve of current of motor of hoist lifting counterweight

圖5 配重上提時(shí)運(yùn)行速度局部放大圖Fig.5 Local amplification of operating speed of hoist lifting counterweight

圖6 配重上提時(shí)電動(dòng)機(jī)電流局部放大圖Fig.6 Local amplification of current of motor of hoist lifting counterweight

圖7 主軸承座驅(qū)動(dòng)端水平方向振動(dòng)頻譜圖Fig.7 Vibration spectrum of main bearing seat at drive end along horizontal direction

圖8 主軸承座驅(qū)動(dòng)端垂直方向振動(dòng)頻譜圖Fig.8 Vibration spectrum of main bearing at drive end seat along vertical direction

由圖 7、8 可知，振動(dòng)的主頻率中沒有軸承故障特征頻率，表明軸承運(yùn)行狀態(tài)良好，未出現(xiàn)故障。但是在水平和垂直方向的頻譜圖中，都發(fā)現(xiàn) 600 Hz 頻率及其倍頻成分，且該頻率成分的幅值最高，其對(duì)應(yīng)的是 2 倍的 SCR (全波整流可控硅故障特征頻率)。在頻譜圖中出現(xiàn)此頻率，說明電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致提升機(jī)運(yùn)行速度不穩(wěn)，與前面測試的速度圖可以相互印證。

將同樣測點(diǎn)、同樣方向該頻率成分的單峰幅值與該礦主井使用的軸承 (與副井相同)相比較，結(jié)果如表2 所列。

表2 頻率 600 Hz 時(shí)主井和副井主軸承座驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)幅值比較Tab.2 Comparison of vibration amplitude of main bearing seat at drive end at 600 Hz frequency in main shaft and auxiliary shaft g

由表 2 可以看出，副井垂直方向的 600 Hz 頻率成分的單峰幅值明顯比主井大很多。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)相關(guān)理論，出現(xiàn)該頻率成分 (600 Hz)即表明電氣故障。結(jié)合提升機(jī)運(yùn)行速度圖和電動(dòng)機(jī)電流曲線出現(xiàn)的周期性變化，共同將問題指向了電動(dòng)機(jī)電控。通過后期聯(lián)系電控廠家，消除電控系統(tǒng)的故障、平穩(wěn)運(yùn)行后，鋼絲繩抖動(dòng)問題得到明顯改善。

4 結(jié)語

鋼絲繩張力測試表明，6 根繩的自振頻率不同，根據(jù)鋼絲繩張力同其自振頻率的平方成正比，確定鋼絲繩所承受的拉力不平衡。電控系統(tǒng)測試和主軸承振動(dòng)頻譜分析結(jié)果，明確了鋼絲繩抖動(dòng)的原因是電控系統(tǒng)控制模塊的異常，使得提升機(jī)對(duì)速度的控制不穩(wěn)定。在這種不穩(wěn)定狀態(tài)下，加之鋼絲繩張力也不平衡，從而導(dǎo)致在運(yùn)行中鋼絲繩的抖動(dòng)。