摘 要：針對煤礦提升機提升系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀，本文提出并設(shè)計了一種礦井提升機振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)礦井提升機的在線狀態(tài)監(jiān)測、診斷和報警。同時將有限元模態(tài)計算和模態(tài)分析結(jié)合，利用ANSYS對提升機振動進行模態(tài)分析，分析結(jié)果與提升機在實際情況下的振動相符，為后期工作提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：多繩摩擦提升機 振動測試 有限元 模態(tài)分析 ANSYS

中圖分類號：TD44 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0074-02

地下采礦等行業(yè)使用較多的是一種關(guān)鍵運輸機是多多繩摩擦式提升機，此類機器也是提升機未來的發(fā)展方向，它對于礦山生產(chǎn)中井下生產(chǎn)和地表運輸紐帶之間的溝通的作用影響重大。提升機的主要承載裝置是電機主軸，其是否是正常運行狀態(tài)對生產(chǎn)的效率和安全有直接的影響，整個系統(tǒng)的安全與之息息相關(guān)。根據(jù)振動理論對主電機軸承和天輪軸承的監(jiān)測和分析，以達到解決提升機實際運行的振動問題對現(xiàn)實有著重大意義。

1 系統(tǒng)硬件組成

（圖1）就是多繩摩擦提升機，它是一種大型低速、重負荷旋轉(zhuǎn)機械。驅(qū)動電機、聯(lián)軸器、減速器、卷筒和軸承等構(gòu)成了煤礦立井提升系統(tǒng)。振動測試有兩個特殊點：（1）整棟具有規(guī)則的周期性。（2）轉(zhuǎn)動部件是大型設(shè)備的主要振動測試對象。有三個方向是震動測試的主要測試方向，也就是水平、垂直和軸向方向，因為不同的方向不同的故障會有不同的現(xiàn)象，比方說水平方向不平衡，垂直方向松動，而軸向反映強烈的是不對稱。通常情況下會將徑向得像個測點安裝在垂直方向，而水平方向最佳高度就是軸中心的高度

本監(jiān)測系統(tǒng)采用XZD-YB一體化振動變送器，它將振動速度傳感器、精密測量電路集成在一起，實現(xiàn)了傳統(tǒng)的“傳感器十變送器”模式的振動測量系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)了經(jīng)濟型高精度振動測量系統(tǒng)，該變送器可直接連接DCS、PLC或其它系統(tǒng)，是電機等設(shè)備振動測量的理想選擇。采用西門子S7-300系列PLC接收振動變送器的模擬量信號，完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理，報警等功能。再通過PLC的以太網(wǎng)通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)到地面監(jiān)控中心的PC機上，實現(xiàn)在線顯示、報警、故障診斷分析等。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化拓撲圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件功能

該上位機系統(tǒng)是基于中文Windows XP平臺，采用WinCC V6.0組態(tài)軟件開發(fā)而成（圖2）。

（1）顯示功能。

立體流程畫面的顯示功能；具有多種類型圖表、系統(tǒng)圖、曲線圖，用戶界面更加直觀。

（2）報警功能。

根據(jù)實際情況設(shè)定不同地點的預(yù)警值、報警級別及地理位置名稱。系統(tǒng)可以完成診斷結(jié)果的統(tǒng)計報表，供設(shè)備管理使用，包括日、周、月、年的檢測結(jié)果統(tǒng)計報表和報警診斷結(jié)果報表。

（3）上傳功能。

實時振動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上傳，輕松實現(xiàn)無人值守。按照系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)（通道參數(shù)、保存監(jiān)測數(shù)據(jù)間隔等）循環(huán)在線監(jiān)測：實時數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)預(yù)處理（有效值、最大值、平均值等統(tǒng)計）→報警狀態(tài)判別（如果有任何測點需要報警）→實時顯示數(shù)據(jù)、棒圖、趨勢圖、時間波形等→定時將檢測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫→實時數(shù)據(jù)采集。

（4）圖形表格。

用戶可定制各種表格：實時數(shù)據(jù)表、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計報表、報警一覽表、實時數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)趨勢曲線等。

（5）查詢功能。

可以在系統(tǒng)圖上直接查詢設(shè)備信息、運行情況、統(tǒng)計信息等。同時可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)報表和數(shù)據(jù)庫的連接，可以保存歷史數(shù)據(jù)以備后續(xù)的分析。

3 系統(tǒng)應(yīng)用案例分析

本系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于淮南顧橋礦主副井多繩摩擦提升系統(tǒng)。立井提升機整體是一個質(zhì)量和剛度分布十分不均勻的，由若干個零部件組成的大型復(fù)雜的機器系統(tǒng)，在計算分析振動時，首先要做出較為合理的力學(xué)模型，使其既有利于理論分析計算，又能夠滿足工程上的精度要求。在把提升機整體的實際結(jié)構(gòu)抽象為力學(xué)模型的過程中，認為井塔提升機大廳地基為剛性支承，略去各軸承座的彈性，把提升機系統(tǒng)離散成為多質(zhì)點。本文采用有限元方法和ANS

YS有限元分析軟件分析振動參數(shù)。

（1）有限元法。

一般連續(xù)問題近似求解的數(shù)值方法就是有限元。在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中最早使用，之后在熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)問題中很快應(yīng)用。有限元方法密切結(jié)合了工程應(yīng)用，是為產(chǎn)品設(shè)計直接服務(wù)的。隨著有限元理論的不斷發(fā)展和完善，涌現(xiàn)了大量大小不一、專用的、通用的有限元結(jié)果分析程序。所以工程結(jié)構(gòu)中的一般問題現(xiàn)在直接可以使用通用程序求解，不用再另編計算程序，節(jié)省了大量精力和時間。

有限元三維彈性動力學(xué)的基本方程是：

平衡方程

（在V域內(nèi)）

幾何方程（在V域內(nèi)）

物理方程（在V域內(nèi)）

邊界條件（在邊界上）

（在邊界上）

初始條件

式中為質(zhì)量密度；阻尼系數(shù)；和分別為對的二次導(dǎo)數(shù)和一次導(dǎo)數(shù)，即分別表示方向的加速度和速度。和分別為慣性力和阻尼力（取負值）。結(jié)構(gòu)在隨時間而變化的荷載作用下，位移、速度、加速度、應(yīng)變、應(yīng)力將都是時間的函數(shù)。

（2）有限元三維實體動力分析步驟。

三維實體有限元動力分析的一般步驟可以表述如下。

①連續(xù)區(qū)域的離散化。

在動力分析中，因為引入了時間坐標(biāo)，處理的是四維問題。在有限元分析中一般采用部分離散的方法，即只對空間域進行離散。

②構(gòu)造插值函數(shù)。

由于只對空間域進行離散，所以單元內(nèi)位移的插值表示是

③簡化求解方程。

利用Galerkin提出的平衡方程與力的邊界條件的等效積分形式，同時將位移空間離散后的表達式和初始條件

代入，最終得到系統(tǒng)的求解方程常微分方程組。原則上可利用求解常微分方程組的常用方法（例如Runge-Kutta方法）求解，但是在有限元動力分析中，因為矩陣階數(shù)很高，用這些常用算法一般是不經(jīng)濟的。本文主要用直接積分法和振型疊加法。

（3）有限元分析軟件ANSYS。

本文對提升機轉(zhuǎn)軸組件系統(tǒng)的模態(tài)分析使用的是美國大型ANSYS有限元分析軟件。ANSYS軟件本身融合了結(jié)構(gòu)、熱、液體、電磁、聲學(xué)，有限元分析作為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。由于ANSYS產(chǎn)品家族中的模態(tài)分析是一個線性分析，任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略，因此這里假設(shè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，進行有限元剖分時采用了梁單元、質(zhì)量單元和彈簧單元，計算了滿載時前15階模態(tài)頻率見表1，同時利用MATLAB繪制出了前4階振型圖見圖3。

4 結(jié)論

分析計算模態(tài)的結(jié)果可以看出，如果該頻率和轉(zhuǎn)軸組件系統(tǒng)的軸向、徑向和扭轉(zhuǎn)震動的模態(tài)頻率，頻率處會比較容易出現(xiàn)峰值，計算模態(tài)分析結(jié)果會等同于實測信號的分析結(jié)果，而模態(tài)頻率附近的頻帶范圍經(jīng)常出現(xiàn)譜峰，也就是轉(zhuǎn)軸組件系統(tǒng)的動態(tài)的實際情況是和建立的有限元計算模型相符的。我們將進一步對模型進行優(yōu)化改進，為今后煤礦立井提升系統(tǒng)的振動改善做出理論指導(dǎo)。

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