礦井提升機故障診斷系統(tǒng)研究

武彥軍

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司曙光煤礦，山西 孝義 032300）

0 引言

提升機是礦井主要運輸設(shè)備之一，主要用于人員、物料及原煤等運輸，提升機運行可靠性、穩(wěn)定性會直接給煤炭生產(chǎn)工作帶來影響[1-2]。提升機主要組成單元包括滾筒、齒輪箱、電動機以及鋼絲繩等，設(shè)備運行過程中難以避免會出現(xiàn)各類故障[3]。國內(nèi)眾多學者對提升機故障診斷技術(shù)進行研究，其中喬國厚[4]提出采集、分析提升機振動信號實現(xiàn)故障定位以及診斷；陳瑩瑩和張曉光[5]綜合故障診斷技術(shù)、計算機技術(shù)構(gòu)建提升機故障在線診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時在線監(jiān)測提升機運行情況，自行對故障進行診斷、預警，以便達到增強提升機運行可靠性目的。上述研究成果在一定程度上豐富了提升機故障診斷成果，并為提升機故障診斷工作開展提供了經(jīng)驗借鑒。文中就以山西某礦副斜井使用的提升機為工程研究對象，對提升機運行期間常見故障類型進行歸納總結(jié)，并提出一種故障在線診斷系統(tǒng)，以期在一定程度增強提升機運行可靠性及效率。

1 副斜井提升機結(jié)構(gòu)及常見故障類型分析

1.1 提升機結(jié)構(gòu)

山西某礦現(xiàn)階段主采5號煤層，設(shè)計產(chǎn)能280 萬t/a，開采范圍內(nèi)3 號煤層賦存穩(wěn)定，厚度均值3.9 m，頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、泥巖及碳質(zhì)泥巖為主。礦井采用立井+斜井開拓方式，井底車場布置在3 號煤層中，副斜井設(shè)計斷面為直墻半圓拱型，凈面積為28.9 m2，巷道斜長536 m，傾角15°～20°。副斜井采用的提升機為JK-3×2.9P，提升機運行采用變頻控制，最大運行速度3.0 m/s，提升鋼絲繩直徑34 mm、驅(qū)動電機為YPY500-10 型，減速度為NBD900 型、減速比30，滾筒直徑3000 mm，副斜井主要用以進風、行人以及設(shè)備、材料運輸。

1.2 提升機常見故障分析

副井提升機平均煤炭需要提升超過30 趟，對提升機為期12 個月監(jiān)測，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)提升機運行期間主要故障位置出現(xiàn)在齒輪箱、電動機、鋼絲繩以及滾筒等位置，具體故障類型占比如圖1 所示。

圖1 提升機常見故障類型

1）齒輪箱故障。齒輪箱故障占比約為54%。齒輪箱是提升機傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，出現(xiàn)故障后會直接影響提升機運行。歸結(jié)起來齒輪箱故障原因包括潤滑油溫度偏高；滲漏油，主要出現(xiàn)在內(nèi)齒圈或者箱體結(jié)合面位置；軸承損壞，多是由于軸承溫度偏高、潤滑油雜質(zhì)偏多等導致；齒面損壞，表明類型主要為點蝕、齒輪表面被壓碎、齒面脫落等；齒面折斷。由于齒輪箱為密閉結(jié)構(gòu)，當出現(xiàn)故障時肉眼往往難以直觀發(fā)現(xiàn)，齒輪箱故障時往往伴隨有異常振動，因此可監(jiān)測齒輪箱振動信號實現(xiàn)故障診斷。

2）電動機故障。結(jié)合提升機運行現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果以及相關(guān)研究成果，歸結(jié)的電動機故障類型包括定子運行異常、轉(zhuǎn)子導體運行異常、電機氣隙不均衡、轉(zhuǎn)子不平衡等。電動機出現(xiàn)故障后會伴隨有溫度增高、異常振動以及噪聲等，因此通過監(jiān)測溫度、振動信號可實現(xiàn)故障診斷。

3）滾筒故障。提升機滾筒結(jié)構(gòu)包括主軸、軸承以及卷筒等，副斜井布置的JK-3.0×2.2P 提升機為單滾筒類型，常見的滾筒故障類型包括滾筒裂隙（開裂或者開焊）、偏斜等。

4）鋼絲繩故障。鋼絲繩是提升機動力傳遞設(shè)備，故障類型以斷絲、損壞等為主，副斜井提升機配備有無損檢測系統(tǒng)對鋼絲繩進行實時檢測，可實現(xiàn)鋼絲繩故障實時診斷。

提升機運行出現(xiàn)故障后，表現(xiàn)特征為局部溫度增高、異常振動等，因此通過監(jiān)測提升機關(guān)鍵部件溫度、振動信號可實現(xiàn)故障診斷以及預警。

2 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 故障診斷系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

具體構(gòu)建的副斜井提升機故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷中心、監(jiān)測傳感器、PLC 控制器、上位機、聲光報警裝置、工業(yè)以太網(wǎng)以及上位機等。數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷中心設(shè)備包括數(shù)據(jù)庫服務器、工控機等，負責對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲以及智能分析，實現(xiàn)故障診斷以及預警；PLC 控制器用以監(jiān)測數(shù)據(jù)處理并將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷中心，并接收相關(guān)控制指令實現(xiàn)相關(guān)操作；井下上位機用以顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)以及故障預警，并實現(xiàn)遠程操作；傳感器包括有振動傳感器、溫度傳感器等，實現(xiàn)振動信號、溫度信號實時監(jiān)測[6-8]。

圖2 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 監(jiān)測傳感器布置

故障診斷主要通過電動機、齒輪箱、減速器以及天輪等設(shè)備溫度、振動信號實現(xiàn)故障預警，具體滾筒、減速度、天輪以及電動機等位置采用振動傳感器實現(xiàn)設(shè)備振動信號監(jiān)測；滾筒偏移量通過位移傳感器監(jiān)測；碟簧壓力采用壓力傳感器監(jiān)測。具體采用的傳感器類型如表1 所示。

表1 傳感器類型

傳感器監(jiān)測參數(shù)是提升機故障診斷基礎(chǔ)，合理的選擇傳感器位置及類型可提高監(jiān)測精度及可靠性。具體傳感器布置要求為：傳感器布置位置應盡量遠離電磁干擾區(qū)或者對工作影響有顯著影響區(qū)域；布置應盡可能靠近高溫點或者異常診斷點，以便提高監(jiān)測精度；布置位置應有足夠剛度及強度，避免傳感器出現(xiàn)掉落。依據(jù)副斜井提升機現(xiàn)場情況，具體提升機上各傳感器布置位置如圖3 所示。同時布置振動及溫度傳感器位置包括有1～9 號位置、14 號位置、17 號位置以及20 號位置，同時布置壓力、位移傳感器位置包括有10～13 號位置、15～16 號位置、18～19 號位置等。

圖3 故障診斷系統(tǒng)中傳感器布置示意圖

3 現(xiàn)場應用效果分析

將故障診斷系統(tǒng)應用到副斜井提升機中，并按照預先設(shè)定方案在提升機各位置布置監(jiān)測傳感器，并經(jīng)過為期30 d 調(diào)試，故障診斷系統(tǒng)可平穩(wěn)運行。故障診斷系統(tǒng)可實現(xiàn)提升機各關(guān)鍵位置溫度、振動信號等實時監(jiān)測，并通過內(nèi)置智能算法實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析以及故障預警。具體在天輪處振動傳感器部分振動信號監(jiān)測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 振動監(jiān)測結(jié)果

將振動監(jiān)測結(jié)果與標準數(shù)據(jù)進行比對分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測獲取得到的峭度值、歪斜度以及峰值等均在合理范圍內(nèi)，未有異常情況發(fā)生，表明期間天輪處于完好狀態(tài)。故障診斷系統(tǒng)應用期間，各組成部件以及傳感器等均可平穩(wěn)運行，在2021 年10 月12 日早班期間，布置在電動機位置的溫度傳感器監(jiān)測結(jié)果異常，現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)電動機有燒毀征兆，有經(jīng)過維護實現(xiàn)了電動機平穩(wěn)運行?，F(xiàn)場應用實踐表明，文中提出的提升機故障診斷系統(tǒng)可實現(xiàn)故障預警、診斷，在一定程度增強提升機運行可靠性以及故障防治能力。

4 結(jié)論

1）對山西某礦副斜井提升機常見故障類型進行分析，并對電機、齒輪箱、滾筒以及鋼絲繩等故障特點及原因進行分析，發(fā)現(xiàn)提升機各組成部件故障時往往伴隨有異常振動、高溫等。

2）依據(jù)提升機故障特點構(gòu)建故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依靠溫度、診斷傳感器等對提升機各組成部件進行持續(xù)監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障診斷中心對傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能分析，從而實現(xiàn)故障類型以及位置診斷。

3）對故障診斷系統(tǒng)中傳感器布置位置進行設(shè)計?，F(xiàn)場應用后，故障診斷系統(tǒng)各部件均平穩(wěn)運行，當發(fā)現(xiàn)有故障征兆（表現(xiàn)為溫度升高、偏移量偏大以及振動參數(shù)異常等）時系統(tǒng)會發(fā)出預警信息，從而便于先關(guān)人員及時處理，達到增強提升機運行可靠性目的。