主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)研究

孫愛東 田錦釗 李 廣

（1.山東能源集團西北礦業(yè)有限公司，陜西 西安 170000；2.山東能源集團西北礦業(yè)有限公司雙欣礦業(yè)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 項目實施背景

岱莊煤礦主副井提升機選用落地式多繩摩擦輪提升機。該礦主副井提升機在原設(shè)計中，其電機軸承處缺少振動及溫度監(jiān)測裝置，提升機的運轉(zhuǎn)過程中一直采用人工巡檢測量方式檢測軸承的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，依靠檢查人員耳聽軸承運轉(zhuǎn)過程中的振動，平時只能依據(jù)檢查人員的經(jīng)驗判斷軸承的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且需要定期拆卸，查看軸承的磨損情況。這種方式不僅浪費了人力物力，而且人工巡檢具有很大的不確定性，又不能保證其監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)性，不能實時自動監(jiān)測提升機電機軸承的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和完成軸承故障預(yù)警的功能，這樣必將嚴重制約礦井安全與生產(chǎn)。特別是天輪軸承系統(tǒng)的檢查，位置高，滾動軸承數(shù)量多，嚴重危及巡檢人員生命安全。

主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)是通過對軸承系統(tǒng)故障特征分量（振動和溫度）實時監(jiān)測監(jiān)控，對運轉(zhuǎn)設(shè)備故障提前預(yù)警并做出診斷，可以有效避免重大事故的發(fā)生，減少維修費用，提高煤礦設(shè)備管理水平[1-5]。該系統(tǒng)既克服了目前人工巡檢數(shù)據(jù)準確度低、周期過長、連續(xù)性差和無法實現(xiàn)絞車軸承故障預(yù)警的問題，還可以實現(xiàn)分站無線采集監(jiān)測點數(shù)據(jù)，傳送至上位機后還可以進行數(shù)據(jù)存儲、分析、診斷，對于煤礦主副井絞車的安全、穩(wěn)定運行以及煤礦高效安全生產(chǎn)有重要意義。

2 方案的設(shè)計與確定

從軸承監(jiān)測和故障診斷的發(fā)展趨勢來看，研究以計算機分析為基礎(chǔ)的在線軸承振動、溫度監(jiān)測與故障預(yù)警是主要研究趨勢和研究熱點。針對這個問題，將以滾動軸承的運行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警為研究對象，研究一種基于嵌入式系統(tǒng)對滾動軸承的運行狀態(tài)監(jiān)測與根據(jù)振動信號故障精密診斷的方法，從而實現(xiàn)對煤礦主副井絞車軸承的全方位保護。

針對主副井絞車房中的電機、聯(lián)軸器和滾筒軸承，配合有線振動傳感器和溫度傳感器，選取合適的監(jiān)測點進行振動和溫度監(jiān)測。監(jiān)測點般分三個方向，即水平方向X、垂直方向Y 和軸向方向Z。水平徑向測點通常選在軸中心高度處，各測點互相垂直安裝，這是因為不同的故障反映在不同的測量方向上，如：不平衡多反映在水平方向上，松動在垂直方向，軸向躥動則在軸向比較強。對于天輪軸承系統(tǒng)的檢查，位置高，滾動軸承數(shù)量多，布線困難。傳統(tǒng)的無線振動傳感器有單軸、雙軸和三軸，但是他們只提供時域信號，基于時間的分析會產(chǎn)生一個綜合所有這些振動源的復(fù)雜波形。該信號在上位機上通過專門軟件進行頻域分析，這不僅使整個系統(tǒng)的實時性和同步性毫無可能，而且將大部分額外設(shè)計工作推給了設(shè)備開發(fā)商，降低了上位機的工作效率，保證不了數(shù)據(jù)的實時性，增加了編程的難度，延長了開發(fā)周期。

最終確定本系統(tǒng)由溫度傳感器、振動傳感器和分析儀器、可編程序控制器等幾個部分組成，從全局控制策略角度，應(yīng)用先進的計算機控制技術(shù)、檢測技術(shù)、通信技術(shù)以及故障診斷和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研制一套主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的構(gòu)成

主副井絞車房內(nèi)的提升設(shè)備的軸承監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC、觸摸屏及監(jiān)控軟件組合設(shè)計，使用有線振動和溫度傳感器，實現(xiàn)對電機后軸軸承振動（包括X 方向、Y 方向、Z 方向）、滾筒后軸軸承振動（包括X 方向、Y 方向）、溫度（包括電機后軸軸承、滾筒后軸軸承）的連續(xù)在線監(jiān)測功能。對于天輪軸承的振動溫度監(jiān)測，使用無線振動溫度一體化傳感器配合無線基站，實現(xiàn)振動溫度的實時監(jiān)測，并且運行時可直接查看振動的頻譜，具有完備的報警顯示功能，可以實現(xiàn)振動過大、振動異常、軸承溫度過高報警等等，給提升設(shè)備的維護提供參考，帶來了極大的方便，提高了整個控制系統(tǒng)的自動化、智能化和人性化的水平，減少了人員巡檢工作量，改善工人工作環(huán)境。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

針對天輪軸承，由于其位置高，不宜布線，采用無線振動溫度一體化傳感器進行振動和溫度監(jiān)測，并且可以同時監(jiān)測三軸的振動變化，減少傳感器的數(shù)量。無線振動傳感器與無線基站之間采用2.4 GHz 的射頻進行無線通訊，通訊距離可達100 m。無線基站通過自帶的網(wǎng)絡(luò)模塊接入地面工業(yè)以太網(wǎng)，遠端的地面監(jiān)控主機通過設(shè)置對應(yīng)的IP 可以實現(xiàn)與無線基站的通訊，其結(jié)構(gòu)圖示意如圖2。

圖2 天輪軸承振動在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場測量控制層是由主副井絞車房的溫度檢測變送器、振動分析儀器、PLC 控制柜（分站）、模擬量輸入模塊、以太網(wǎng)模塊等部件組成。振動和溫度傳感器實時采集振動和溫度信號，PLC 模塊接受來自傳感器輸出的信號，送至上位機的專家系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，進行故障診斷與預(yù)測分析。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

作為整個系統(tǒng)的一部分，軟件的設(shè)計具有極其重要的地位。本設(shè)計的軟件部分由以下幾部分組成：計算機管理子系統(tǒng)、上下位機通信子系統(tǒng)、無線振動溫度一體化傳感器軟件系統(tǒng)、無線基站軟件系統(tǒng)等。

本系統(tǒng)組態(tài)軟件主要用來設(shè)計人機交互界面，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)遠程可視化監(jiān)測。另外，輔助以SQL Server 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和基于VB 的信號頻譜分析軟件，對采集到的振動、溫度等信號進一步分析，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警控制流程如圖3。

圖3 主副井絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警控制流程圖

對于天輪軸承無線振動監(jiān)測，無線基站與無線振動傳感器的軟件流程如圖4。上位機通過串口與無線網(wǎng)關(guān)連接，發(fā)送初始化命令和查詢數(shù)據(jù)指令，流程如圖4（a）所示。無線網(wǎng)關(guān)將收到的上位機指令轉(zhuǎn)發(fā)給安放在監(jiān)測現(xiàn)場的無線傳感器。無線傳感器程序是在IAR 的環(huán)境下編譯并調(diào)試通過的，采用C 語言編程，無線傳感器程序主要是根據(jù)接收到的上位機控制指令來執(zhí)行相應(yīng)的操作，并把采集的振動數(shù)據(jù)傳送給上位機，主程序流程如圖4（b）所示。

圖4 程序流程圖

4 系統(tǒng)創(chuàng)新性

（1）將專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，把智能控制理論中先進控制理論方法引入到實際的絞車軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中，并進行建模與仿真。

（2）直接對軸承振動信號進行頻譜分析，采用共振解調(diào)法結(jié)合頻譜圖的頻率結(jié)構(gòu)和差頻分析，對軸承早期故障進行精密診斷。

（3）自主設(shè)計研發(fā)的嵌入式微控制器，采用雙層結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計，集信號采集、處理、信號分析和通訊于一體。在此基礎(chǔ)上通過上層處理軟件完成對故障信號類型和程度解析，從而實現(xiàn)了實時監(jiān)測絞車軸承運行狀態(tài)及故障狀態(tài)的準確辨識。

（4）數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，實現(xiàn)對絞車軸承的全方位監(jiān)測與保護。

（5）設(shè)計一套絞車軸承運行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警的無線傳輸模塊，將實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與上位機的無線通訊，以提高監(jiān)測設(shè)備對安裝現(xiàn)場的適應(yīng)性。

5 效果分析

5.1 經(jīng)濟效益分析

（1）實時監(jiān)測后，早期預(yù)警減少軸承系統(tǒng)故障損失。對于岱莊煤礦主副井絞車，若每年用于軸承系統(tǒng)檢查或軸承系統(tǒng)突然故障造成停止提升的時間為10 h，按年產(chǎn)量240 萬t，每噸價格600元，每年減少直接經(jīng)濟損失：（240×600×10）÷8760=165 萬元。

（2） 精簡維檢人員，減少工資開支。由于項目軸承監(jiān)測與預(yù)警數(shù)據(jù)采用自動采集系統(tǒng)，并且實時顯示，不但檢測的準確率是人工巡查無法比擬的，而且省掉了至少3 個巡查工人，以年工資9 萬元記，每年可以節(jié)省人工費27 萬元。

每年創(chuàng)效：165+27=192 萬元。

5.2 社會效益分析

采用溫度、振動數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，由于檢驗結(jié)果準確率高，大大降低了煤礦的安全隱患，為煤礦安全高效生產(chǎn)做出巨大的貢獻。系統(tǒng)將實現(xiàn)對軸承系統(tǒng)故障特征分量（振動和溫度）實時監(jiān)測監(jiān)控，對運轉(zhuǎn)設(shè)備故障提前預(yù)警并做出診斷，可以有效避免重大事故的發(fā)生，減少維修費用，提高煤礦設(shè)備管理水平，社會效益顯著。