礦井提升機主軸振動模態(tài)及應變測量技術研究

張忠偉

（陽泉煤業(yè)集團七元煤業(yè)有限責任公司，山西 晉中 045000）

引言

多繩摩擦提升機廣泛應用于煤礦，對確保提升機連續(xù)可靠運行具有重要意義。因此，研究人員對其性能進行了大量的研究，包括制動性能、起重載荷、軸承和齒輪的振動等方面。相對而言，對包括鼓、軸和輪輻在內的傳動軸單元的應力或應變的研究較少。但是，隨著計算機科學的發(fā)展和強大的分析軟件的出現(xiàn)，相關研究得到了快速的發(fā)展。主軸單元是摩擦提升機傳遞動力和承受載荷的關鍵部件，它的動態(tài)行為與起重機的健康狀態(tài)有關。作為一種間接方式，振動分析通常用于調查軸彎曲、不平衡、部件松動和軸承缺陷。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎上，針對其不足之處，從應力應變模擬、測點優(yōu)化、實際測量系統(tǒng)的構建等方面展開，將極大地提高主軸單元的可靠性。

1 試驗臺設計研究

1.1 架構設計

圖1 試驗臺設計示意圖

為了不影響正常的煤炭生產，搭建了如圖1所示的試驗臺，這是對實際提升系統(tǒng)的模擬改造。其組成部分包括液壓制動站、主軸單元、制動器、鋼絲繩、滑輪架、滑輪組、平衡油缸、操作臺、調整螺釘和接地螺栓。

1.2 技術實現(xiàn)

主軸單元是本文的研究對象。它主要由主軸、支承軸承、摩擦鼓和摩擦片組成。由于主軸單元是一個旋轉組件，其應變信號的采集通常不方便，無法通過傳統(tǒng)方式進行。通常，集電環(huán)和無線通信是解決此問題的傳統(tǒng)方法。集電環(huán)比無線通信更有優(yōu)勢，但是它有一些缺陷。例如，精度有時會受到集電環(huán)或銅環(huán)與導線之間斷點引起的虛擬應變的嚴重影響。

因此，本著測量準確、安裝可靠、拆卸方便、不破壞原有結構和性能的原則，最終采用無線通信方式獲取摩擦鼓與主軸單元的應力信號。圖2顯示了本文開發(fā)的無線信號采集系統(tǒng)的原理。在摩擦鼓內部和主軸上的相關位置粘貼應變花環(huán)以實現(xiàn)應力測量。應變信號由無線信號采集器傳輸，再由無線接收器接收，最后通過網(wǎng)線到達工控機。

2 應變測量點的優(yōu)化

2.1 方案設計

圖2 主軸裝置應變測試系統(tǒng)

如何利用有限的測量資源，實現(xiàn)盡可能準確的理想測量是關鍵，有必要對應變測量點進行優(yōu)化。根據(jù)不同的測量需求，目前常用的優(yōu)化方法包括排序、非線性規(guī)劃、隨機聚類和推算。根據(jù)主軸單元的實際情況，首先用解析法建立力學模型，得到邊界極限，然后在Pro-E中建立三維模型導入到ANSYS中，對初始測量點的選擇進行應力模擬。通過模態(tài)分析得到模態(tài)形狀，最后以最大非對角元素為適應度值，設計了一種基于MAC和PSO的優(yōu)化算法。

2.2 有限元分析

按照實際工程邊界載荷，對主軸單元進行了有限元分析。主軸實際上是許多零件的裝配體，但在有限元分析中被視為實體。這個分析的第一步是在Pro-E中建立一個三維模型，然后導入到ANSYS中。下一步是模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量的多少影響模擬的精度和效率。本文采用代數(shù)生成方法，在需要精密計算的地方執(zhí)行更詳細的網(wǎng)格劃分，例如靠近螺紋孔的地方。在這種情況下，單元和節(jié)點的總數(shù)分別為67275和271923。

當載荷作用在主軸單元模型上時，得到其應力等值線，如圖3所示。從該等值線圖中可以看出，最大應力點在軸承座與軸承座的連接處附近，最大應力為91.41 MPa，遠低于材料45Mn的375 MPa屈服極限。初步選擇測量點，考慮粘貼的方便性，選取內壁、輪輻和靠近剎車盤的軸段作為測量位置、初步選取的準確測量點。

圖3 主軸單元應力云圖

2.3 測量點優(yōu)化設計

優(yōu)化標準影響著檢測結果，常采用有效的獨立評估標準（EI）和模態(tài)保證標準（MAC）。考慮到搜索效率，本文采用MAC。理想的模態(tài)形狀彼此線性無關，但各種噪聲明顯降低了它們的數(shù)據(jù)正交性。當達到適當?shù)臏y試點數(shù)量和位置時，模態(tài)形狀之間的空間角度可以保持足夠大。MAC數(shù)組反映了空間角度，是評價模態(tài)向量相關性的重要指標。

主軸單元有限模型模態(tài)分析在兩個軸承處施加固定約束，求解階數(shù)設為8。如圖4所示為模態(tài)分析圖形，以第8階為例，表1所示為前8階模態(tài)分析信息。

本次優(yōu)化采用了粒子群優(yōu)化算法（PSO）。PSO是一種基于群體搜索的優(yōu)化方法，它從原始組中迭代生成一個最優(yōu)組。在此迭代過程中，應評估每個新組的質量。在這種情況下，將MAC數(shù)組的最大非對角元素作為適應度函數(shù)。它的較小值意味著更好地選擇測試點。

圖4 主軸第8階模態(tài)分析圖形

表1 主軸單元前8階固有頻率和振型

將觀察點分隔為11個點，每個點與模態(tài)階數(shù)組成適應度值。當適應度值小于0.25時，模式容易識別，點組合效果更好。如表2所示，對于小于9的點數(shù)，適應度值小于0.25，而數(shù)字9的值為0.282 8，與0.25相當接近?？紤]到測試通道的可用資源，通過正交組合，選擇1、5、6、7、8、9、10和11點作為最終測量位置，其中前6個位置標記在圖5中。

表2 測試點優(yōu)化

圖5 應變花結的優(yōu)化位置

3 工程試驗結果分析

粘貼優(yōu)化后的應變花后，搭建無線測量系統(tǒng)，獲取應變信號。對于第9點的應變，應變信號如下頁圖6所示，其中包含圓周方向和45°方向的應變。該信號是在包含試驗臺啟動、運行和停止操作的過程中產生的?？梢园l(fā)現(xiàn)，輪輻的周向應變在（-50～100）×10-6范圍內周期性波動，波動不是很大；并且在停止時刻，發(fā)生了明顯的沖擊。對于其他測量位置，也有類似的現(xiàn)象。

4 結論

圖6 第9點的應變變化曲線

多繩摩擦提升機主軸單元在運行過程中的應變變化是關鍵參數(shù)。在本文中，建立了一個試驗臺，用它構建了一個無線測量系統(tǒng)來研究應變變化。為正確確定測點，對作為主軸單元主要部件的滾筒進行力學分析，得到邊界極限條件。在Pro-E中建立三維模型后，在ANSYS中對主軸單元進行有限元分析。根據(jù)分析結果，初步選定測點。分析主軸單元的振動模態(tài)形狀，在此基礎上利用MAC算法進行粒子群優(yōu)化（PSO）算法，最終決定測點的數(shù)量和位置。通過以上調查，可以得出以下結論：

1）無線應變測量系統(tǒng)高效工作，從摩擦起重系統(tǒng)主軸單元獲取應變信號，為設計改進或調整起重載荷提供科學依據(jù)。

2）當利用基于振動模態(tài)形狀的MAC準則時，PSO算法能夠對測點的數(shù)量和位置進行理想的優(yōu)化。

3）摩擦提升機主軸總成的應變在運行過程中發(fā)生周期性波動，并且對其停止運行時也會產生影響。