礦井提升機天輪軸承潤滑系統(tǒng)設(shè)計與應用研究

王彥棟，寇子明，李騰宇

(1.太原理工大學 機械運載與工程學院，山西 太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030024；3.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實驗室，山西 太原 030024)

煤礦現(xiàn)場調(diào)查研究表明，軸承故障類型中80%屬于磨損和疲勞導致的故障，而此類故障中又有85%是由潤滑問題引起的[1]，因此采用自動潤滑系統(tǒng)進行天輪軸承維護是提高軸承壽命的有效手段。然而，目前天輪組軸承的潤滑工作仍然依賴人工操作。潤滑時，工人需要帶著幾十斤的潤滑脂攀爬數(shù)十米高的天輪平臺上，對軸承進行潤滑。潤滑過程繁瑣且勞動強度大，潤滑效果依賴于工人經(jīng)驗，存在著潤滑不均勻的問題。在寒冷天氣下，潤滑脂流動特性的改變使得潤滑更加困難，且效果難以保證[2]。因此設(shè)計天輪組軸承潤滑系統(tǒng)并將其應用到現(xiàn)場軸承潤滑作業(yè)中成為亟待解決的問題。

潤滑是旋轉(zhuǎn)機械中必不可少的維護措施，因此國內(nèi)外學者對潤滑系統(tǒng)進行了大量的研究。毛君等針對煤礦井下設(shè)備設(shè)計了脂質(zhì)自動潤滑系統(tǒng)，實現(xiàn)潤滑脂的多點及遠距離輸送供應[3]。程志新設(shè)計了風電主軸承的集中潤滑和廢脂回收系統(tǒng)，滿足風電軸承潤滑需求[4]。俞偉林等回顧了風電軸承潤滑油脂狀態(tài)的離線和在線監(jiān)測方法，指出軸承故障大多是由于使用了不合適的或者不可靠的潤滑油脂引起的，保持潤滑油脂的狀態(tài)能夠避免很多軸承故障的發(fā)生[5]。因此，準確測量潤滑狀態(tài)也是潤滑研究中的關(guān)鍵問題。尚慧嶺基于油液分析與鐵譜技術(shù)，不停機預知刮板運輸機減速器故障[6]。張強提出了數(shù)控加工中心智能型潤滑系統(tǒng)，通過模糊邏輯控制算法對采集的溫度數(shù)據(jù)處理，判斷潤滑狀態(tài)，實現(xiàn)潤滑系統(tǒng)的智能控制[7]。Kleemola等通過接觸電阻和溫度在線檢測潤滑條件，并通過實驗驗證了所提方法是可行性[8]。馮存傲等測試了低速重載工況下不同潤滑脂對齒輪的潤滑效果，實驗結(jié)果表明潤滑效果良好時溫度最小[9]。以上研究在潤滑系統(tǒng)設(shè)計以及潤滑狀態(tài)識別方面均取得了較大進展，但是在天輪軸承潤滑研究中，目前鮮有潤滑系統(tǒng)的應用報道。

由于天輪組運行過程中游動輪的注油孔位置會不斷變化，這導致現(xiàn)有天輪結(jié)構(gòu)下難以實現(xiàn)軸承和軸瓦的自動潤滑。目前對天輪軸承潤滑的研究主要聚焦在這一問題上。吳楠等探討了利用天輪軸中心孔輸送油脂實現(xiàn)自動潤滑的可行性[10]。楊芬也提出在天輪軸中心布置注油孔，實現(xiàn)軸承與軸瓦的潤滑的自動潤滑方案[11]。以上研究所提的潤滑方案需要對原來的天輪軸進行加工，但對于煤礦現(xiàn)場大型提升設(shè)備而言，天輪設(shè)備結(jié)構(gòu)改進涉及多方面內(nèi)容，難以在短期內(nèi)實現(xiàn)，因此目前天輪潤滑的研究均停留在理論階段，與現(xiàn)場工人的緊急需求形成強烈矛盾。針對以上問題，本研究結(jié)合現(xiàn)場天輪結(jié)構(gòu)，設(shè)計了天輪軸承潤滑系統(tǒng)，研究潤滑狀態(tài)識別方法，采用自動潤滑和人工輔助相結(jié)合的方式實現(xiàn)天輪軸承潤滑。

1 天輪智能潤滑系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 天輪潤滑系統(tǒng)需求分析

天輪作為大型旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，其軸承系統(tǒng)主要包括軸端的滾動軸承和支撐游動輪的滑動軸承。對天輪潤滑主要是對軸端軸承和游動輪軸承進行潤滑，潤滑點的位置如圖1所示。軸兩端的滾動軸承固定在軸承座上，其注油孔布置在軸承座外側(cè)。游動輪軸承的注油嘴通常布置在天輪輪緣附近，通過注油管路連通到軸瓦處進行潤滑。提升系統(tǒng)運行時，滾動軸承注油孔位置不發(fā)生變化，而游動輪注油嘴隨著天輪轉(zhuǎn)動，因此運行過程中難以對游動輪軸承進行潤滑，只能輔以人工操作完成天輪軸承系統(tǒng)潤滑。

圖1 四繩天輪組潤滑點示意

天輪軸承系統(tǒng)的潤滑介質(zhì)為潤滑脂。潤滑脂具有獨特的流變特性和潤滑機理，高溫下潤滑脂表現(xiàn)出良好流動性；低溫下表現(xiàn)出較高的粘度，會造成加注困難的問題[12]。潤滑脂失效后，會出現(xiàn)發(fā)黑、干燥、硬化等變化，會極大影響軸承潤滑效果[13]。除了潤滑脂特性帶來的影響外，人工潤滑時為了防止缺乏潤滑脂，工人通常加注到潤滑脂從軸承處溢出為止。溢出的油脂會隨天輪組的轉(zhuǎn)動甩到天輪平臺上，造成整個天輪平臺的污染。

綜上所述，為了改善天輪組軸承潤滑效果，設(shè)計的天輪組智能潤滑系統(tǒng)必須具備以下功能：①判斷軸承的異常潤滑狀態(tài)，保證潤滑效果的持續(xù)性和均勻性；②實時采集潤滑系統(tǒng)運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)低溫凝固或管路堵塞等故障現(xiàn)象；③能夠進行管路保溫和加熱，解決室外低溫環(huán)境對潤滑脂的影響；④實現(xiàn)廢棄潤滑脂的排出，避免潤滑脂注入過多向外溢，以及潤滑脂失效影響軸承運行的問題。

1.2 總體方案設(shè)計

針對天輪結(jié)構(gòu)，設(shè)計的潤滑系統(tǒng)總體方案示意如圖2(a)所示，主要由滾動軸承潤滑裝置、滑動軸承潤滑裝置、廢脂回收裝置、在線監(jiān)測裝置、潤滑系統(tǒng)控制器組成。其中滾動軸承潤滑裝置、滑動軸承潤滑裝置、廢脂回收裝置為主要的執(zhí)行機構(gòu)；在線監(jiān)測裝置用于采集軸承以及潤滑系統(tǒng)運行參數(shù)，用于判斷潤滑狀態(tài)；潤滑系統(tǒng)控制器主要由系統(tǒng)處理中心(上位機和PLC控制器)和中間控制器組成，用于控制執(zhí)行機構(gòu)。

圖2 潤滑系統(tǒng)總體方案示意

對滾動軸承而言，注油孔位置固定不變，采用自動潤滑泵便可直接為滾動軸承潤滑?；诖耍O(shè)計的滾動軸承潤滑裝置如圖2(b)所示。自動潤滑泵按照設(shè)定的程序自動加注潤滑脂，潤滑泵每次泵出的油脂為定量，休止時間和加注時間可以調(diào)整，根據(jù)滾動軸承對潤滑脂的消耗，合理調(diào)整休止時間和加注時間，保持軸承內(nèi)部處于良好的潤滑狀態(tài)。

對滑動軸承潤滑時，當提升系統(tǒng)工作時天輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，注油管路隨著旋轉(zhuǎn)，此時難以實現(xiàn)自動潤滑。天輪靜止注油時，需要工人與提升機房司機不斷溝通慢速開車調(diào)整注油孔位置，采用油槍自動對中注油管路實現(xiàn)難度大，過程復雜，需要人工輔助完成。設(shè)計的滑動軸承潤滑裝置在游動輪注油孔上設(shè)置通用油杯代替螺塞，注油槍上采用鎖鉗式油嘴以方便快速與油杯連接緊固，利用電動潤滑泵實現(xiàn)潤滑脂的輸送，如圖2(c)所示。

采用氣泵和收集瓶共同收集軸承座內(nèi)的廢油，如圖2(d)所示。氣泵的運行時間和休止時間可以通過在線監(jiān)控裝置設(shè)置，根據(jù)實際工況設(shè)定。在氣泵的吸氣口設(shè)置換向閥，采用單獨抽取廢油模式，每次只抽取其中一個軸承座內(nèi)的廢油，達到設(shè)定運行時間后抽取另一個軸承座內(nèi)的廢油。

同時考慮到天輪環(huán)境溫差大，潤滑泵站以及管路外部增設(shè)輔熱套管，低溫時可啟動加熱功能保證潤滑脂的正常注入。

潤滑系統(tǒng)的控制方案如圖3所示，由上位機、PLC控制器和中間控制器組成的潤滑控制器根據(jù)在線監(jiān)測模塊反饋信息，選擇設(shè)定好的潤滑策略控制潤滑系統(tǒng)對潤滑點進行有序潤滑以及廢油回收，同時潤滑控制器通過無線模塊與司機室內(nèi)的上位機相互通訊，完成對潤滑系統(tǒng)的控制。

圖3 潤滑系統(tǒng)控制方案

對潤滑系統(tǒng)的控制依據(jù)潤滑策略進行，良好的潤滑策略能夠保證潤滑效果。潤滑策略主要內(nèi)容包括合適的潤滑時間間隔、加注量、潤滑狀態(tài)判斷等。由于現(xiàn)場提升系統(tǒng)運行工況復雜，提升系統(tǒng)工作時長不規(guī)律，頻繁的啟停運行使天輪軸承存在欠潤滑的情況；而且提升鋼絲繩張力不平衡使得天輪軸承受力不均勻，可能存在個別軸承磨損嚴重時距下一次周期潤滑時間較長，固定周期的潤滑策略難以滿足潤滑需求，此時需要對潤滑狀態(tài)進行識別，由此判斷是否需要調(diào)節(jié)潤滑周期和潤滑量。對潤滑周期和潤滑量的調(diào)節(jié)可以采用定步長增減的方式進行調(diào)整。

2 潤滑狀態(tài)識別方法研究

2.1 軸承潤滑狀態(tài)特征值提取

不良的軸承潤滑狀態(tài)會引起溫度升高[14-16]，因此軸承的溫度可以作為表征潤滑狀態(tài)的指標。提升系統(tǒng)天輪組位于戶外，受外界環(huán)境溫度影響大，冬夏季節(jié)天輪軸承溫度相差超過30 ℃，如圖4所示。從圖4中可以看出冬季時軸承最低溫度低于0 ℃。在提升系統(tǒng)運行過程中，軸承溫差值迅速上升。停止運行后軸承溫度逐漸平緩下降。夏季時軸承最高溫度達到35 ℃。當提升機運行時軸承溫度開始上升，對應的溫差值迅速增加。當提升機停止運行后，軸承溫度下降，溫差值變化幅度減小。從整體變化趨勢而言，不同季節(jié)時軸承溫度及溫差值變化趨勢基本相同，溫差值受外界環(huán)境溫度影響小，受提升系統(tǒng)運行狀態(tài)影響大。因此可采用軸承的溫差值進一步分析不同潤滑狀態(tài)對軸承溫度的影響。

圖4 冬夏季提升系統(tǒng)天輪軸承溫度及溫差變化

2.2 潤滑狀態(tài)識別方法研究

為了對潤滑效果進一步表分析，采用Tukey控制圖方法自適應確定閾值對潤滑狀態(tài)識別。Tukey控制圖是一種簡單有效的異常數(shù)據(jù)檢驗方法，可根據(jù)數(shù)據(jù)自適應的確定閾值，其無需先驗經(jīng)驗和知識，僅依靠給出的數(shù)據(jù)進行判斷，適用于小樣本數(shù)據(jù)且不受異常值的影響[17]?；赥ukey控制圖的欠潤滑狀態(tài)識別詳細步驟如下：

1)首先對提升系統(tǒng)運行期間軸承溫度提升階段的溫差數(shù)據(jù)tem(n)進行預處理。以m個樣本點為一組將溫差數(shù)據(jù)分為k組，N=k×m，N為溫差數(shù)據(jù)總樣本點數(shù)，m可根據(jù)一個提升循環(huán)時間以及采樣頻率計算，選取每一組m個樣本點中最大值作為特征值構(gòu)建新的數(shù)列ntem(k)。

2)將ntem(k)按照數(shù)值從小到大排列，得到數(shù)列ntem′(k)，將其從中間劃分為兩段長度相等的數(shù)列。

3)計算前段數(shù)列居中的數(shù)值位置及大小。

計算后段數(shù)據(jù)居中的數(shù)值位置LUF及大小。

4)計算VDF和VUF的差值Vc，并計算最大估計值QUF。

QUF=VUF+kUF×Vc

(3)

其中，kUF為常數(shù)，根據(jù)具體應用背景確定。以計算的最大估計值作為閾值，當溫差值大于該值時可判定存在異常。

以上述算法對一個潤滑周期內(nèi)天輪軸承溫差數(shù)據(jù)處理，溫度數(shù)據(jù)通過北京威斯特中航科技有限公司的SBW一體化溫度變送器進行采集，其量程為-30～70 ℃，基本誤差為±0.2%F.S。溫度數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出初始潤滑后溫差變化幅度小，以此時溫差變化情況為基準計算得到閾值大小用紅色虛線表示，可以看出潤滑良好時最大溫差值小于自適應閾值，但由于人工潤滑時潤滑的均勻性和持續(xù)性得不到保證，最大溫差值開始超過閾值，且隨著時間增加超過的范圍越大，直到下一次潤滑后最大溫差值再次小于閾值。

圖5 潤滑周期內(nèi)天輪軸承溫差變化與閾值關(guān)系

綜上所述，采用天輪軸承的溫差值作為指標可以反映提升系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在相同的提升工況下可以用于反映天輪軸承的潤滑情況。而通過Tukey控制圖可以自適應的確定溫差特征值的閾值，通過與閾值比較可以快速的確定軸承潤滑狀態(tài)。

3 天輪軸承潤滑系統(tǒng)現(xiàn)場試驗研究

基于以上研究，構(gòu)建了天輪軸承潤滑系統(tǒng)，并在某礦副井多繩摩擦提升系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗。該礦最大提升高度為703 m，提升鋼絲繩數(shù)為4根，提升速度分別為7 m/s(提人)和7.5 m/s(提物)，天輪離地面高度約為35 m，天輪直徑為3500 mm。

潤滑系統(tǒng)包括：潤滑脂電動加注機、泵油裝置、廢油回收裝置、末端監(jiān)測裝置、在線監(jiān)測裝置、防護箱、管路、線路及附件，安裝在天輪平臺上不影響人員通行的地方；上位機和一個信號收發(fā)器安裝在中控室。潤滑脂電動加注機固定在支架上，支架焊接在天輪操作平臺上面。泵油裝置、氣泵、中間處理器、換向閥等安裝在一個防護箱內(nèi)，該防護箱固定在支架上，支架同樣焊接在天輪操作平臺上面。電控箱固定在支架上，將支架焊接在天輪平臺上面。信號收發(fā)器固定在鋼管側(cè)面，將鋼管焊接在天輪操作平臺的欄桿上面。管路沿天輪操作平臺鋪設(shè)，線路穿線管后沿操作平臺鋪設(shè)，均采用管卡固定。煤礦現(xiàn)場可根據(jù)實際需求修改注油周期和注油量，實現(xiàn)定時定量自動潤滑。

潤滑過程中可以實時顯示系統(tǒng)注油壓力值，并對上次注油時間進行記錄，方便維護人員了解軸承注油潤滑情況。泵油裝置可以通過監(jiān)測油脂高度判斷是否需要補充油脂，從而實現(xiàn)油脂的自動補充。對軸承潤滑不良的識別則是通過溫度差與自適應閾值的比較來確定。當軸承溫度差多次出現(xiàn)大于閾值的情況時，則以定步長的方式調(diào)整潤滑周期和潤滑量，同時啟動潤滑系統(tǒng)開始作業(yè)。自動潤滑系統(tǒng)維護下天輪軸承溫度差值及對應的自適應閾值如圖6所示。

圖6 自動潤滑時軸承溫差變化

可以看到，此時溫度差值遠遠小于閾值，且多個循環(huán)過程中天輪軸承溫度并未出現(xiàn)突增情況，整體變化平穩(wěn)，說明天輪智能潤滑系統(tǒng)對軸承維護的有效性。但值得注意的是，由于提升機運行環(huán)境惡劣，工況復雜，所提的自適應閾值方法在特定的工況下可以實現(xiàn)潤滑狀態(tài)識別，但在多變的工況下并不能保證較高的準確率，復雜工況下的潤滑狀態(tài)識別方法仍需進一步研究。此外，本研究設(shè)計的潤滑系統(tǒng)對于軸瓦的潤滑仍為人工輔助，如何考慮游動輪的工作空間限制及工作特性來設(shè)計軸瓦的自動潤滑，將是本研究后續(xù)的主要工作。

4 結(jié) 論

本文針對天輪軸承的潤滑問題，設(shè)計了天輪軸承潤滑系統(tǒng)，提出了軸承潤滑狀態(tài)識別方法，并進行了潤滑系統(tǒng)的現(xiàn)場應用測試，得到的主要成果和結(jié)論如下：

1)設(shè)計了天輪軸承潤滑系統(tǒng)，具有滾動軸承自動潤滑、游動輪軸承人工輔助潤滑、廢脂回收功能，實現(xiàn)潤滑脂的定時定量多點輸送；并提出基于潤滑狀態(tài)識別的潤滑周期和潤滑量調(diào)節(jié)方法，以滿足現(xiàn)場復雜多變的運行工況。

2)研究了基于自適應閾值的天輪滾動軸承潤滑狀態(tài)識別方法，研究表明溫度差可以作為識別潤滑狀態(tài)的特征值，在特定工況下自適應閾值法可以實現(xiàn)潤滑不良狀態(tài)的檢測。

3)天輪軸承潤滑系統(tǒng)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，潤滑系統(tǒng)可以實現(xiàn)定時定量自動潤滑功能，可以保證了潤滑效果的持續(xù)性和均勻性，對天輪軸承達到良好的維護效果。