状态监测在矿井提升机振动故障诊断中的应用

朱浩军 梁振奋

（SKF（中国）销售有限公司 上海）

一、概述

现代化煤矿设备日益向重载、高速、大型、自动化、多功能化与使用高效率化方向发展，在生产过程中机械设备因各种原因导致的故障频繁发生，设备的维修成本和停机损失急剧增加，严重影响了煤炭的有效生产，因此对设备运行的可靠性和经济性的要求日益苛刻，这使众多企业提出了以预防为主、依靠设备状态监测来提高设备运行安全性和可靠性的新措施。

矿井提升机（图1）是矿山重要的大型机械设备，对矿井提升机状态监测确保其运行可靠、安全，具有重要意义。矿井提升机的齿轮箱低速轴输出转速一般都＜50 r/min，对于此类低速重载的设备，滚动轴承隐患的特征频率极低，而且振动能量较小，故障诊断中很容易被忽视。此外，由于系统本身振动大，淹没了有隐患零部件的特征频率，使诊断工作较为困难。SKF针对滚动轴承、齿轮箱故障研究的加速度包络分析、周期时域平均、谐波活动指数等状态监测专利技术，在各行业设备故障诊断中得到了有效应用和推广，下面介绍SKF状态监测系统在某矿务局单绳缠绕式提升机振动故障诊断上的应用。

二、系统配置

SKF在线监测系统由加速度传感器、IMX-S监测单元以及分析软件@ptitude Analyst组成。逻辑控制信号通过硬线连接的方式直接接入 IMX-S；转速信号通过控制系统接入IMX-S单元；加速度传感器通过多芯电缆接入 IMX-S单元；IMX-S单元通过RJ45网线/光纤接入服务器。

各分厂、车间通过设在各分厂相应的设备管理工作站（@ptitude Monitor）采集、输入设备监测数据（在线监测和离线监测、点巡检、抄表记录、润滑状态数据、各类实验结果数据等），并通过终端浏览设备（客户端PC）共享设备运行状态、管理/维护信息、故障信息、检修计划、备件情况等。SKF服务工程师通过设备远程诊断服务，在外网浏览和分析设备运行数据。

图1 提升机结构

同时，该系统能与EAM、CMMS系统相结合，使得生产与维修人员能在故障早期发现问题并立即做出调整，免去因设备失效或损坏而引起的昂贵支出。设备寿命的延长，计划外停工期的减少，和低质量产品的减少，大大减少了客户的生产成本。

1.硬件配置

提升机电机两端采用了滑动轴承，因此在两端轴承座径向成90°夹角方向安装电涡流传感器。齿轮箱高速轴、中间轴以及1号、2号天轮两侧轴承座位置分别安装高频振动加速度传感器。齿轮箱低速轴两侧、主轴滚筒两侧各轴承(滚动轴承)座水平方向安装低频加速度传感器。考虑到主轴滚筒的转速较低，因此在齿轮箱输出轴和主轴滚筒两端轴承座位置选用了低频的加速度传感器。

传感器通过多芯电缆接入SKF的IMX-S在线监测单元。在线监测单元的振动信号通过光纤接入控制室进行数据分析。

2.软件配置

分析软件采用了SKF@ptitude analysis分析软件，该软件分析参数选择了加速度包络谱、速度频谱、加速度总值、速度总值4种参数。

三、应用案例

1.轴承缺陷诊断

监测系统在2012年8月投入运行，速度谱显示振动值正常。在2012年9月发现提升机2号天轮出现明显的早期轴承缺陷，从加速度包络图可以明显的看到轴承外圈缺陷频率（BPFO）的多次谐波（图2），更换轴承后，轴承缺陷频率消失（图3），更换的轴承外圈显示有损伤。齿轮故障诊断

图2 轴承缺陷频谱

图3 更换后轴承频谱

图4 齿轮箱输出侧频谱

齿轮磨损严重时，不仅齿轮啮合频率周围会出现边频带，还会出现齿轮振动固有频率。与齿轮啮合频率幅值相比，边频带幅值的大小更能反映齿轮磨损的程度，边频带组数越多，磨损越严重，如果参与啮合的多个齿轮有问题，则在同一啮合频率周围会出现多个边频带。

2012年11月26日发现主轴齿轮箱输出侧频谱图出现明显的齿轮啮合频率及其倍频（图4），该啮合频率携带大量输出轴转速频率的边频，打开齿轮箱检查发现输出轴齿轮存在明显齿面点蚀。

四、结论

SKF状态监测系统根据设备转速、轴承型号，选用不同频响范围的传感器，结合SKF加速度包络技术，通过检测轴承缺陷以及齿轮磨损的振动信号，在设备早期故障出现时快速判断故障所在。