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1、煤矿提升机传动系统振动故障诊断王务峰王务峰（山西西山煤电股份有限公司西曲矿选煤厂，山西 古交 030200）摘要：摘要：本文将同态滤波技术用于提升机卷筒轴轴承的故障诊断，准确诊断出卷筒轴振动的主要原因，为实现煤矿机械设备维修提供了依据。对煤矿大型关键设备进行诊断，实现由定期维修到预知维修的转变，是一项值得推广应用的新技术。关键词：关键词：煤矿提升机；传动系统振动；故障诊断1 1 概况概况随着科学技术的发展，监测手段也从依靠人的感官和简单仪器向精密电子仪器以及以计算机为核心的监测系统发展，由此可逐步根据设备运行的实际状态确定维修决策，最终实现“预知维修”或“状态维修” 。而目前煤矿机械采用的是“
2、定期维修” ，这种维修方式存在着明显不足，一是“维修不足” ，即还没到维修时间，设备却已出现故障，甚至产生突发性故障，煤矿重要的大型机械设备若出现这类故障，不仅严重影响煤矿生产，甚至造成人身伤亡的重大事故；二是“过剩维修” ，即到了规定的维修时间，设备还处于正常的工作状态，却不得不按规定进行检修，这样势必造成大量人力、物力、财力的浪费。实现“预知维修”的技术基础是应用设备状态监测与故障诊断技术。目前设备诊断技术已成为保证现代化工业正常、安全生产不可缺少的重要技术，是现代工业生产的主要标志之一。故障诊断技术的应用，对保证设备的正常运行，提高设备的维修管理水平可起到巨大的推动作用，并可取得较好的社
3、会经济效益。2 提升机传动系统轴承故障提升机传动系统轴承故障提升机是煤矿提升煤炭、输送物料、上下人员的关键设备，提升机机械传动系统故障形式既有典型机械零部件故障又有旋转机械的常见故障。当轴承出现点蚀、剥落、磨损、胶合等故障时，与轴承接触的其它元件表面产生周期性振动，此振动以一定的频率表现出来，该频率称为轴承元件工作时的故障特征频率，可通过轴承的几何尺寸及风机转轴转速频率求得，具体的计算公式如下：rf外圈特征频率 （1）)cos1 (2Ddzffro内圈特征频率 （2）)cos1 (2Ddzffri滚动体特征频率 （3）cos)(1222Dd dDffrb保持架特征频率 （4）)cos1 (21
4、Ddffrc式中： 滚动体直径（mm） ；D轴承节径（mm） ； 滚动体d与滚道间接触角； 滚动体数目；r风机转轴旋转频率（Hz） 。z以上各特征频率是利用振动诊断法有效诊断滚动轴承故障的基础。几种常见的滚动轴承故障形式及其振动特征频率如下：（1）轴承有偏心时的振动特征频率为（） ；rnf, 2 , 1n（2）轴承内圈有点蚀时的振动特征频率有两种情况：一是在滚动轴承无径向间隙时，会产生特征频率为（）的冲击振rnzf, 2 , 1n动；二是轴承有径向间隙，且为单边载荷时，振动的振幅大小会发生周期性的变化，即振幅调制现象，其特征频率为或rifnzf （） ；cifnzf , 2 , 1n（3）轴承
5、外圈有点蚀时的振动特征频率为；onzf（4）轴承滚动体上有点蚀时，若点蚀部分通过内圈或外圈滚道表面则会产生冲击振动。在轴承无径向间隙时，会产生特征频率为的冲击振动；不过通常情况下轴承都有径向间隙，所以会产生bnf2以滚动体的公转频率（即保持架旋转频率）为调制频率的振动，cf此时的特征频率为。cbfnf 23 提升机传动系统振动诊断提升机传动系统振动诊断3.1 振动测试提升机主要参数如下：电机参数：型号 YR800-12/1430；功率 800 千瓦；转速 492rpm减速机参数：型号 XP 1120；速比 11.5；为了解提升机机械传动系统的振动情况,首先采用便携式测振仪对提升机传动系统各主要
6、测点进行测试，测试物理参量为振动速度均方根值(即振动烈度)和振动位移。振动烈度测试数据见表 1。rmsv表 1 振动烈度测试数据从以上表 1 提升机传动系统各轴承座三个不同方向测点的振动烈度、振动位移大小来看，测点 15 的振动烈度、振动位移均较小，整体振动状态平稳，但提升机卷筒轴两轴承座（测点 6、7）的轴向振动烈度、振动位移明显比水平和垂直方向以及其它测点各方向的振动大，说明卷筒轴轴向振动存在异常。3.2 提升机振动故障诊断为进一步分析提升机卷筒轴向振动大的原因，现对 6、7 测点振动信号进行分析如下。1）测点 6 分析测点 6 出现了输入轴转频及输出轴转频的倍频成分，说明 6 测点受到了
7、输入及输出轴的调制。同时在低频段出现了卷筒轴旋转频1#2#3#测点 项目VHAVHAVHA11-147-1011-1313-159-1113-145-74-56-7 位移峰峰值（um） 8-910-1210-1226-3012-1418-217-94-67-110.2-0.30.2-0.30.5-0.60.4-0.60.2-0.50.5-0.80.9-1.10.5-0.70.5-0.6 振动烈度（mm/s） 0.20.30.5-0.60.5-0.60.2-0.30.5-0.70.8-1.00.6-0.80.6-0.84#5#6#7#VHAVHAVHAVHA14-159-1113-151-33-
8、68-152-42-532-861-23-622-12127-3012-1418-202-32-45-72-44-929-902-41-315-500.3-0.60.2-0.50.5-0.70.2-0.30.4-0.80.6-0.80.1-0.20.2-0.31.2-1.90.10.1-0.21.2-2.80.4-0.60.2-0.30.5-0.80.30.3-0.50.5-0.70.1-0.20.2-0.31.1-2.10.10.1-0.21.4-2.7率成分、2 倍频、3 倍频等，并且 2 倍频成分幅值较大。2）测点 7 分析测点 7 出现了输入轴转频及输出轴转频的倍频成分。说明 7 测点
9、受到了输入及输出轴的调制。同时出现了卷筒轴旋转频率成分，及其 2 倍频、3 倍频成分等，并且 2 倍频成分幅值较大。与测点 6的情况基本相同。通过对提升机卷筒轴两端轴承座（测点 6、7）振动信号的分析可知：存在 8.16Hz（电机轴旋转频率）及其以 0.7Hz（卷筒轴旋转频率）为间隔的边频带，高频成份 107Hz 及其边频，卷筒轴旋转频率 0.7Hz 及其倍频成份突出，说明输出轴的转频 0.7Hz 是 6、7 测点处振动信号的主要调制源。并且出现了卷筒轴旋转频率成分（0.7Hz） 、2 倍频、3 倍频等，而 2 倍频幅值较大，说明卷筒轴系存在不对中故障。轴承配合松动时，由于间隙作用引起的振动具
10、有非线性特点，振动频率中即可出现分数转频的次谐波成分，又可出现旋转频率的高次谐波；轴承间隙大，类似于一种松动问题，在振动的频谱上会出现很多旋转频率的谐波成分。根据以上分析，结合卷筒轴振动的频率成份以及卷筒轴轴向振动烈度、振动位移较大等特征，可诊断出提升机卷筒轴与齿轮减速箱之间存在不对中。分析其原因应为卷筒轴承或联轴器磨损造成间隙增大，引起卷筒轴系的不对中，从而造成卷筒轴轴向振动的增大。4 4 基于同态滤波的故障诊断基于同态滤波的故障诊断同态滤波是一种非线性滤波，其特点是首先进行某种数学运算D，将这种非线性规律的信号（乘积或卷积）变换成线性叠加的信号，然后再利用线性滤波器进行处理，最后再通过逆运
11、算 D-1恢复信号。利用解乘积同态系统对振动信号进行解调处理时，若振动信号表示为xm(t)=A(1+(t)sin(2fmt+) （1）式中 (t)mcos2frt调幅信号A信号振幅相位同态滤波的目的就是把调幅信号 (t)分离出来。根据同态滤波的定义，取同态运算法则 D 为取自然对数。为了对振动信号进行取对数运算，对等式（1）两边进行平方，即X2m(t)=A2(1+(t)2sin2(2fmt+) （2）对式（2）两边取对数lnX2m(t)=ln (1+(t)2lnA2sin2(2fmt+) （3）上式中的第一项就是调幅信号，通常频率较低；第二项为载波频率，频率相对较高。根据式（3）可知第一项与第
12、二项是线性叠加，利用数字低通滤波把第二项滤掉，就可以顺利得到第一项的调制信号，即得Y(t)= ln (1+(t)2 （4）对上式进行指数运算，即y(t)=exp(Y(t)= (1+(t)2 再对上式进行开方，并零均值化，就可得到调制信号(t) Y(t)= (t) （5）在利用同态滤波技术对振动信号进行特征提取时，引入数字滤波器，滤掉干扰频率成份，进行有针对性的信号分析。利用同态滤波技术实现了煤矿机械在低速重载运行状态下振动故障特征的提取，准确诊断出提升机卷筒存在的轴系不对中故障,为实现煤矿机械设备维修提供了依据。 5 5结论结论将同态滤波技术用于提升机卷筒轴轴承的故障诊断，准确诊断出卷筒轴振动
13、的主要原因，为实现煤矿机械设备维修提供了依据。对煤矿大型关键设备进行诊断，实现由定期维修到预知维修的转变，是一项值得推广应用的新技术。【参考文献】1冷军发，荆双喜，陈东海基于 EMD 与同态滤波解调的矿用齿轮箱故障诊断J. 振动、测试与诊断，2011,（04）：3031.2 武栋梁，滚动轴承常见故障及其振动信号特征J. 科技资讯，2012， （18）：39-40.3 冯洋威，李志远，陆益民叉车液力传动系统振动噪声源试验研究J工程机械，2012,(08)：15-164 陈刚，秦树人，鞠萍华基于虚拟仪器技术的汽车齿轮箱故障诊断仪J中国测试，2009,(02)：17-185 绳晓玲，万书亭基于 VC 与 Matlab 的风力发电机组齿轮故障诊断系统J机械传动，2011,(06)：35-36作者简介：王务峰，男，1975 年 1 月出生，山西交城人，山西西山煤电股份有限公司西曲矿选煤厂机械工程师。联系电话：13835166756。
