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土豆 挖掘机 设计

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土豆挖掘机的设计,土豆,挖掘机,设计

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摘 要土豆挖掘机的设计是矿井运输中的咽喉设备，是沟通矿井上下的纽带。它的运行状态好坏对煤矿安全生产起着重要的作用。实践表明，因挖掘机设备故障造成生产损失的情况时有发生。因此，对其开展故障诊断和状态监测维修工作是十分必要的。本文中介绍了挖掘机机的组成、结构特点以及工作原理，对挖掘机机进行了选型设计，确定了工作参数，选用了最新型的JKMD2.8/4多绳摩擦式挖掘机机。文中分析了挖掘机机的常见故障现象，通过对挖掘机机主轴承进行润滑及磨损状态分析后，发现存在严重磨损现象，认为尤其在加减速阶段，应该对挖掘机机进行故障诊断和状态监测。提出了状态监测维修的必要性，并将状态监测维修与其他监测方法比较，得出状态监测维修的优势所在。本人进行了故障诊断方法的研究，通过对几种主要诊断方法比较论证后，认为铁谱监测方法为首选方法。本人对挖掘机机主轴承油样进行了铁谱分析，制定了取样规范和主轴承状态判据，并伴有监测实例。特别是铁谱制谱参数优化组合。比较了几种常见铁谱仪后，选择我校研制的KTP1型铁谱仪，结合国内外相关资料所述经验推荐值，进行了铁谱制谱参数优化组合试验，得出相对最佳组合试验参数值：粘度稀释比3：1，成谱转速70r/min，滴液速度2.0ml/min。试验成果对现场有一定的参考意义。关键词：状态监测维修； 主轴承； 铁谱技术； 制谱参数优化ABSTRACTThe coal mine hoisting technique is in the mine pit transportation pharynx and larynx equipment, is communicates about the mine pit. Its running status quality produces the vital role to the coal mine safety. The practice indicated the hoisting technique breakdown creates the situation which the production loses to sometimes occur. Therefore, to its development breakdown diagnosis and the condition monitor maintenance work is extremely essential.This article introduced the hoisting composition, the unique feature as well as the principle of work, have carried on the shaping design to the hoisting, had determined the operational parameter, selected the newest JKMD-2.8/4 multi-ropes to rub the type hoisting.In the article, the hoisting common breakdown phenomenon has been analyzed, through carries on the lubrication and the attrition state analysis after the hoisting main bearing, discovered the existence serious attrition phenomenon, thought is adding the deboost phase especially, should carry on the breakdown diagnosis and the condition monitor to the hoisting. Proposed the condition monitor service necessity, and compares the condition monitor service with other monitor method, obtains the condition monitor service the superiority to be at. I have conducted the breakdown diagnosis method research, through after several kind of main diagnosis method comparison proof, thinks the hard spectrum monitor method for the first choice method.I have carried on the hard spectrum analysis to the hoisting main bearing oil type, formulated the sample standard and the main bearing condition criterion, and accompanied by the monitor example. Specially hard spectrum system spectrum parameter optimum composition. After several kind of common hard spectrometers, has chosen my school development the KTP-1 profiled iron spectrometer, unifies the domestic and foreign correlation datas to state the experience to recommend the value, has carried on the hard spectrum system spectrum parameter optimum composition experiment, obtains the relatively optimal fit experiment parameter value: The viscosity dilution compares 3:1, becomes spectrum rotational speed 70r/min, dropping liquid speed 2.0ml/min. The experimental achievement has certain reference significance to the scene.Keywords: Condition monitor service; Main bearing; Ferrography; System Ferrography parameter optimization目 录1 绪论 12 挖掘设备综述 22.1概述 22.2挖掘设备的组成 22.3挖掘机的结构特点 3 挖掘设备的选型计算 43.1设计的指导思想、原则、依据63.1.1选型设计的指导思想63.1.2选型设计的基本原则63.1.3选型设计的依据和主要内容73.2付井多绳挖掘设备选型设计83.2.1设计依据83.2.2设计过程83.3小结 314 挖掘机的主要故障及状态维修应用324.1常见故障现象及处理方法 324.1.1主轴承 324.1.2制动系统 324.1.3减速系统 334.1.4钢丝绳、天轮、挖掘容器 344.1.5主轴、卷筒 354.1.6调绳离合装置 354.1.7详细分析主轴承损坏的原因及防范措施 364.1.8小结 364.2状态监测维修在挖掘机中的应用 374.2.1概述 374.2.2状态维修的理论内涵和特点 384.3故障诊断与状态监测维修 394.3.1故障诊断技术的发展概况 394.3.2故障诊断、状态监测的概述 414.4故障诊断方法选择 424.4.1振动监测分析法424.4.2油阻尼法434.4.3温度法434.4.4铁谱分析法434.4.5方法选择435 采用铁谱技术开展轴承状态监测455.1铁谱技术与光谱、磁塞检测比较 455.1.1铁谱技术原理455.1.2油样光谱分析的简单原理 455.1.3磁塞检测的基本原理 455.1.4铁谱技术的特点 455.2铁谱仪器选择 465.2.1分析式铁谱仪 465.2.2直读式铁谱仪 485.2.3在线铁谱仪 505.2.4旋转式铁谱仪 505.2.5仪器选择 525.3铁谱油样取样规范 525.4铁谱油样处理535.5铁谱技术中的定量分析方法 545.5.1定量铁谱的理论依据545.5.2铁谱分析的定量参数 545.6铁谱技术中的定性分析方法 555.6.1概述 555.6.2磨粒的识别及形成机理 555.6.3主轴承磨损状态判据制定 615.6.4挖掘机主轴承铁谱监测实例 615.7滑动轴承磨损状态铁谱分析 615.7.1磨损试验 625.7.2铁谱实验分析 636 铁谱制谱参数优化组合646.1前言 646.2试验原理和参数选择 646.2.1试验参数选择 646.2.2正交试验原理 656.3试验过程 656.3.1概述 656.3.2试验仪器选择 656.3.3试验具体操作步骤 666.3.4相关信息 676.3.5因素取值范围 686.4定量定性铁谱分析 686.4.1金相显微镜和光密度测量仪简介 686.4.2试验结果 716.4.3试验数据处理 756.5结论分析 76结论 77参考文献 78翻译部分 80英文原文 80中文译文 89致谢 96 第 97 页1 绪 论土豆挖掘机的设计是挖掘机械的重要组成部分之一 。它的运行状态好坏对挖掘安全生产起着重要的作用。实践表明，因挖掘设备故障造成生产损失的情况时有发生。因此，作为预防措施对其故障进行诊断是十分必要的。矿山挖掘设备的维护通常采用定期检修的方法，在日常设备维修中，人们常常根据异响或温升变化等外部因素来判断设备的故障。挖掘设备常见故障有多种类型，如断绳、过卷、滑动、制动失灵及轴承和齿轮磨损等。但按此安排的停机检修，有时却发现其内部零件(如轴、轴承、齿轮等)并没有达到失效的程度，于是如何准确地判断设备的故障并及时维修，就成为有关人员十分关注的问题。本次毕业设计通过对挖掘机主轴承等进行润滑状态分析后，发现存在严重磨损现象，应该开展故障诊断和状态监测维修工作，本人进行了故障诊断和状态监测方法方面的研究，通过对各种监测方法比较论证，发现铁谱监测方法是首选方法。然后对各种铁谱仪进行比较，首选我校研制的KTP-1型旋转式铁谱仪用于试验。对挖掘机主轴承油样进行铁谱分析，提出铁谱制谱规范，特别是影响铁谱沉积状态的几个主要因素的取值范围和最佳组合，国内外一直没有正式相关规程报道，本人查阅国内外大量资料后，结合经验推荐值，进行铁谱优化组合试验，得出最佳组合值，对现场应该有一定参考意义。2 挖掘设备综述2.1概述挖掘机就其工作原理来看，与缠绕式挖掘具有显著的区别：钢丝绳不是缠绕在卷筒上，而是套在主导轮（轮）上，两端各悬挂一个挖掘容器，借助于安装在主导轮上的衬垫与钢丝绳之间的力来传动钢丝绳，使容器移动，从而完成挖掘或下放重物的任务。 具体来讲就是，几根挖掘钢丝绳2（多位偶数根，如2、4、6根）等距离地搭在轮地衬垫上，其两端分别与容器或平衡锤（单容器挖掘时）相连，平衡尾绳地两端分别与容器尾部相连后，自由地悬在井筒中。当电动机带动轮转动时，通过衬垫与挖掘钢丝绳之间地力带动容器往复运动，完成挖掘任务。导向轮是加大钢丝绳在轮上地围包角或缩小挖掘中心距离的，是否采用导向轮视实际情况而定。 挖掘与缠绕挖掘一样，最初使用的是单绳式挖掘机，后来随着矿井深度和产量的增加，挖掘钢丝绳的直径越来越大，不但制造困难、悬挂不便，而且使挖掘机的有关尺亦随之增大。为了解决这个矛盾，在单绳式挖掘机的基础上创造出了几根钢丝绳代替一根钢丝绳的新型多绳挖掘机。我国在1958年试制成功了第一台式挖掘机。 多绳挖掘机按布置方式，可分为塔式与落地式两大类。落地式多绳挖掘机是在塔式多绳挖掘机的基础上将主机装置由空中搬到地面，其优点如下： （1）井塔（或称井架）、挖掘机房和井上口设备可以同时进行施工和安装，缩短了施工时间； （2）原井塔可用普通井塔式或井架代替，减少了附属设备（其中设备和电梯等）； （3）提高了抗震性能； （4）经济效益好； （5）检修更换部件方便。2.2 挖掘设备的组成JKMD型多绳挖掘机由主轴装置、制动装置、减速器、深度指示器、车槽装置、导向轮装置以及其它辅助设备组成。根据多绳式挖掘机使用的特殊需要，还设有调零装置等。（一）主轴装置多绳挖掘机主轴装置由主导轮、主轴和两个轴承及锁紧器组成。主导轮和制动盘选用16Mn钢板焊接而成。制动盘的表面粗糙度不低于3.2，偏摆值不大于0.5mm。对于JKMD-2.8/4以上的挖掘机，主导轮还带有支环，以增加主导轮的刚度。由于各种挖掘机能力（最大静张力差）的大小不同，挖掘机选用盘形闸的副数不同，因此一个主导轮上有焊接一个制动盘的，也有焊接两个制动盘的。主轴选用45号钢锻造后加工而成，其极限强度4.25.6Mpa,它与减速器采用刚性联轴器连接。主轴与铸钢轮毂采用热压配合连接。主轴承采用滚动轴承，与滑动轴承相比有效率高、宽度小、维护简单、使用寿命长等优点。衬垫是多绳挖掘机的重要零件，它承担者挖掘机钢丝绳上的全部载荷，并且还必须具有足够的系数，以防止挖掘过程中的滑动。因此，衬垫材质的优劣对挖掘的工作性能、使用范围、工作安全等有着直接的影响。目前，国内多采用热塑性塑料和聚氯乙稀衬垫，利用梯形槽固定法、即靠圆周方向的推力将衬块推入，故增加了主导轮的强度，延长了使用寿命。为了更换挖掘钢丝绳衬垫、检修盘制动器的方便和安全，在一侧的轴承梁上（或地平上）还装有一个锁紧主导轮用的锁紧器。（二）减速器本次毕业设计选用ZHDR140刚性基础减速器。刚性基础减速器为单级双入轴圆柱圆弧齿轮减速器，主要由两侧的高速轴、齿轮和中间的低速轴、齿轮以及减速器箱体等组成。该减速器传动齿轮采用圆弧齿轮，但各种减速器的轴承有所不同。凡采用巴氏合金滑动轴承的，均应采用润滑油端强迫润滑，其润滑油的粘度以E为2.22.5最为合适。（三）防过卷装置多绳挖掘机的防过卷装置共分为三个部分：一是安装在深度指示器上的终点开关；二是安装在井塔上的过卷开关；三是设置在井塔和井底的两套楔形罐道装置。（四）车槽装置 车槽装置是式挖掘机必备的装置，对新安装的挖掘机要开设绳槽。运行中衬垫有了磨损，各绳槽间磨损程度不均，而使半径有差异，致使每根挖掘绳张力不均匀。当绳槽直径误差大于1.52mm时，即应对衬垫上的钢丝绳槽进行车削调整，以保证各条挖掘钢丝绳的张力平衡。（五）导向轮装置 当主导轮的直径大于两个挖掘容器或挖掘容器与平衡重锤之间的距离时，则需要采用导向轮系统来改变两根钢丝绳之间的中心距离。有时也可以利用导向轮来增加钢丝绳对主导轮的围包角，提高轮挖掘机的防滑安全系数。（六）调绳悬挂装置目前用于多绳挖掘机中的挖掘绳的张紧调节装置为XJ型悬挂装置，本装置具有调绳准确方便和自动、平衡等优点。它主要由楔形绳卡、LYT型螺旋液压调绳器、液压管路、压力表连接组件、连接板以及主连杆等部件组成。螺旋液压调绳器的主要作用是用来调整钢丝绳在安装时的长度偏差，以及运行后由于不同的残余伸长所引起的长度偏差。调绳的最大长度不得超过液压油缸中活塞的行程，如调绳量再增大，则需重新调绳。（七）深度指示器和调零装置 使用多绳式深度指示器时，为了防止因钢丝绳滑动伸长及蠕动等原因所产生的偏差，一般都有调零机构，以消除挖掘容器在每次运行后，由于上述原因所引起的容器实际停车位置与深度指示器指针预定零位之间的误差。当挖掘钢丝绳未发生滑动伸长及蠕动时，则调零电动机不运转，所以与它连接的螺杆，涡轮也不转。此时挖掘机主轴和齿轮使差动轮系的圆锥齿轮转动，再通过轴和齿轮带动圆锥齿轮转动。当丝杆转动时，深度指示器的指针便向上或向下移动，指示挖掘容器在井筒中的位置。指针称为粗针。为了更精细准确地反映容器在停车前的位置，则经过几级齿轮传动带动一根精针，并在井筒中距离挖掘容器卸载位置前10m处安装一个控制电磁离合器地磁感断电器。当容器在井筒中经过磁感断电器时，则电磁离合器合上使齿轮和轴连接上。于是当容器挖掘到距离卸载位置10m处时，则精针开始转动。精针刻度盘上有刻度，每柱表示1m的挖掘高度，这样就能精确地反映容器在停车前的位置。当钢丝绳发生滑动伸长和蠕动时，即容器已达到卸载水平而指针还未到达零位或已超过零位时，调整零自整角机32的转角与预定零位不对应，则产生偏差。当此偏差较大时，则调零自整角机输出一定数值的电压足以使调零电动机运转，通过涡轮对差动轮系等使粗针在至电动机停止状态下得到向减少偏差的方向移动（限速圆盘也随着转动），直到偏差消除（即指针的位置与容器的位置一致），调零电动机停止转动，调零完毕。在另一个挖掘方向不进行调零，即一个挖掘调零一次。此外，调零自整角机在挖掘过程中不带电，随深度指示器空转。当挖掘容器准确到达停车位置停车拖闸后，才具备自动调零的条件。2.3多绳挖掘机的结构特点多绳挖掘机的特点主要在主导轮上。主导轮窄面小，轮上包有带绳槽的衬垫。衬垫承担着挖掘钢丝绳重力、容器自重、货载重力、平衡尾绳重力以及运行时的各种动载荷与冲击载荷，所以它也须有足够的抗压强度。此外，它与钢丝绳之间还必须具有足够的系数，从而使挖掘机达到设计生产能力，并防止挖掘过程中的滑动。因此衬垫材质的优劣对挖掘机的工作性能，应用范围及工作安全等都有直接的影响。目前经常使用的有胶带、牛皮、热塑性塑料和聚乙烯塑料、聚氨酯橡胶等。多绳挖掘机设有车槽装置，它的用途是在机器安装和使用过程中，在主导轮衬垫上车制绳槽及根据磨损情况，不定期地对绳槽进行车削，以保证各绳槽直径相等，磨损均匀，同时也能使每根钢丝绳拉紧程度相近、受力均匀。多绳挖掘机主导轮宽度与绳数有关。绳数取决于终端载荷及挖掘高度，常见的有2、4及6根绳几种。采用偶数根绳的目的是：可以采用一半左捻钢丝绳，一半右捻钢丝绳，以便消除容器与罐道间由于钢丝绳扭转而引起的附加阻力。为平衡挖掘钢丝绳的重力，在容器下面一般都设有平衡尾绳，平衡尾绳的树木取决于平衡尾绳重力，常见的扁尾绳有一根或两根，圆股绳有两根或的三根，经过适当搭配，使主绳与平衡尾绳的总单重相等，或者尾绳比主绳总单绳重稍重些。为使多绳挖掘设备的几根挖掘钢丝绳张力保持平衡，在容器与钢丝绳连接处设有张力平衡装置。多绳挖掘机在工作或程中，会出现钢丝绳的蠕动现象。因此，钢丝绳与主导轮间会产生相对位移，随着挖掘系数增多，相对位移量亦不断增大。除了蠕动外，同时还可能存在着钢丝绳滑动与伸长等问题。这些都影响深度指示器的准确性，为止，必须在多绳挖掘机的深度指示器上，增加一个调零机构。所谓“调零”，就是深度指示器结构本身能够在容器每次运行后，消除由于钢丝绳的滑动、蠕动和伸长等原因引起容器实际停车位置与深度指示器指针预定零位之间的误差。在某些情况下，例如，当受到井筒断面积及其它条件的限制，两挖掘容器中心之间的距离小于主导轮直径，此时，为了使主导轮两侧的钢丝绳相互靠近一点，以适应两挖掘容器中心距离的要求，就需要装设导向轮。这时，挖掘钢丝绳在主导轮上的围包角增大，改善了多绳挖掘机的防滑性能。对于单容器带平衡锤的挖掘系统，当采用带导向轮的多绳挖掘机时，习惯上都是将导向轮设置在平衡锤的一侧。 3 挖掘设备的选型计算3.1设计的指导思想、原则、依据3.1.1选型设计的指导思想贯彻实事求是的精神，从实际出发，深入现场调查研究，理论联系实际，使设计做到切合实际，技术先进、经济合理、安全适用、符合多、快、好、省的要求，要学习和总结国内外先进经验，努力提高设计水平，在设计中要积极采用国内外的先进技术，选用的机械设备，必须以国产为主。要选用标转化、系列化产品，便于设备能及时供应，零部件易于更换和修理，以加快建设速度。3.1.2选型设计的基本原则 矿井挖掘设备的选型设计是否经济合理，对矿山的安全生产、基建投资、生产能力、生产效率及吨煤有着直接的影响。 挖掘设备选型设计只能在挖掘方式确定之后进行。矿井挖掘运输设备的合理设计主要取决于确定合理的挖掘方式和运输系统。主要应考虑以下几方面因素。 1）对矿井年产量大于60万吨的大中型矿井，一般均设主付井两套挖掘设备。主井采用箕斗挖掘煤炭，付井采用罐笼完成辅助挖掘任务，如挖掘矸石、升降人员和下放料石和下放材料、设备等。对于年生产量小于30万吨的小型矿井，如果仅用一套罐笼挖掘设备就可以完成全部主付井任务时，采用一套挖掘设备是经济的。对于年产量大于180万吨的大型矿井，主井往往需要两套箕斗挖掘设备，付井除配备一套罐笼挖掘设备外，多数尚需设置一套单容器平衡锤系统以专门挖掘矸石。 2）一般情况下，主井均采用箕斗挖掘方式。3)为了提高生产率，中型以上矿井，原则上都要采用双钩挖掘。如果矿井同时开采水平数过多，采用平衡锤单容器挖掘方式也是比较方便的。4）根据我国目前实际情况，对于小型矿井，以采用单绳缠绕式挖掘系统为宜，对于年产量90万吨以上的大型矿井，以采用多绳系统为宜。5）挖掘若有两个水平，且分前后期开采时，挖掘机、井架或井塔等大型固定设备要接最终水平选择。挖掘容器、钢丝绳和挖掘电动机根据实际情况也可按第一水平选择，待井筒延伸至第二水平时，另行更换，但电动机以换装一次为宜。以上所述，只是决定合理挖掘方式的一般原则。在具体设计中，要根据矿井的具体条件，提出若干可能的方案。然后对基建投资、运转费用、技术的先进性等诸方面进行技术经济对比。同时，还要考虑到我国挖掘设备的生产和库存情况，才能决定出比较合理的方案。3.1.3选型设计的依据和主要内容（一）设计依据 1、主井挖掘1）矿井年生产量A（t/a）;2）工作制度即年生产日数b，日工作小时数t，煤炭工业设计规范规定：b300d，t14h；3）矿井开采水平数及各水平服务年限；4）矿井深度H（m）,即井口至各开采水平的深度，5）卸载水平与井口的高差H(m),可按下列数据选取：对于底卸式箕斗：H1525m,对于普通罐笼：H015m；6）装载水平与井下运输水平的高差H(m)，对于底卸式箕斗：H=1825m；7）煤的散集密度（t/m）;8)挖掘方式：箕斗或罐笼；9）矿井电压等级。2、付井挖掘1）矸石年产量：如无特别指出时，可取煤炭产量的1520；最大班出矸量按日矸量的50计算；2）最大班下井人员数目（人/班）；3）矿井深度H（m）；4）每班下井材料、设备、炸药次数。（次/班）；5）挖掘罐笼或规格，罐笼质量（kg），矿车质量（kg）；6）矸石散集密度（t/m）。（二）设计的主要内容 1）计算并选择挖掘容器 2）计算并选择挖掘钢丝绳； 3）计算并选择挖掘机； 4）挖掘电动机的预选； 5）挖掘机与井筒相对位置的计算； 6）运动学及动力学计算 7）电动机功率的验算； 8）计算吨煤电耗（对于主井挖掘）； 9）制定最大班作业时间平衡表（对于付井）。3.2付井多绳挖掘设备选型设计3.2.1 设计依据1. 矿井年生产量150万吨，含矸率18，考虑到运输不均匀系数，则最大班出矸量为500吨；2. 最大班下井人数940人；3. 坑木消耗定额10米/千吨；4. 采用MG3.39B三吨固定车厢式矿车，矿车自重q=1320千克，容积v=3.3米，装矸量Q5300千克；5. 该矿只有一个开采水平，矿井深度为H=598米。3.2.2设计过程一、 确定单容器挖掘或双容器挖掘、选择挖掘容器、并确定布置方式由于该矿只有一个开采水平，为了充分利用设备能力，决定采用双罐笼挖掘系统。采用合理的经济挖掘速度V V0.40.49.78米/秒选择GDSY-32/1504三吨双层单车多绳罐笼，罐笼自重Q=11000千克，全高H11.8米，每层可乘人数30人，为了缩短每班运送人员时间，两层可同时进出人员，每层两侧也可同时进出人员，为此在井上下相应位置要修建出入平台。 在提矸和下料时，只用单层一车，这样可减小钢丝绳直径，也减小了挖掘机尺寸。 根据地形等条件，本矿采用井塔式布置。二、 选择主挖掘钢丝绳和尾绳1. 主挖掘钢丝绳（1） 钢丝绳终端荷重G 挖掘矸石：GQ+Q+q =5300+11000+1320=17620千克式中： Q5300千克，Q11000千克，q1320千克 挖掘人员：每人体重按70千克计算 GQ+ Q23070+1100015200千克（2） 计算钢丝绳单位长度重量p:按挖掘矸石计算 p 2.55千克/米式中： n=4, =170千克/毫米 HH+H+H=598+30+23=651米H暂取30米H=H+H+0.5+2S =2+10+0.5+22.208=16.9米H2米，H10米，S2.208米，取H23米。8.2-0.0005H=8.2-0.0005651=7.87 选择6（30）-28-170-镀YB829-73左右捻钢丝绳各二根，其规格为：d=28毫米，p=3.04千克/米，170千克/毫米，Q=52250千克2. 尾绳：采用二根尾绳，n=2单位长度重量：q=p=3.04=6.08千克/米选择187园股不旋转钢丝绳：d=40毫米，q=6.25千克/米，本系统为重尾绳挖掘系统。2q-4p=26.25-43.04=0.34千克/米3. 验算主钢丝绳的安全系数8.11钢丝绳的实际安全系数大于7.87，所选钢丝绳可用。三、选择多绳式挖掘机1.计算主导轮直径DD100d=1002800毫米。2.计算挖掘系统静张力F:按提矸罐笼在井口计算FG+4pH+nq(H+H) =17620+4 =25747千克3.计算挖掘系统最大静张力差FQ+5300+0.34千克4. 确定减速器速比i和电动机转数n根据 V9.78米/秒，选取i=7.35.则 n=490.3转/分 决定选择JKMD2.8/4多绳挖掘机，其规格为：D=2800毫米，D=2500毫米，F30000千克，F9000千克，G9310千克，G19吨/米。5. 验算主导轮衬垫比压P 采用一般塑料衬垫，0.2，P20千克/厘米 P16.25千克/厘米式中： Q1.54950千克（矸石比重1.5吨/米）主导轮衬垫承受的比压P小于衬垫的允许比压P20千克/厘米，满足要求。三、 挖掘机对井筒的相对位置：1. 计算井塔高度H H=H+H+h+0.75R+H =11.8+10+2+0.751.25+5=29.7 米式中： H11.8米，H10米，h=2米，R1.25米，H5米确定 H30米2. 计算主导轮与导向轮的水平间距L LS+ R-R2.208+1.25-1.42.058米式中： R1.4米3. 确定围包角（1） 主导轮与导向轮的中心距离b=5.407米 （2）sin-tg = sin-tg=6.28(3) 围包角=180+=180+6.28=186.28195折算成弧度3.2495弧度五、挖掘系统变位质量 1.预选电动机（1）估算电动机功率p p927千瓦式中： K1.2，V=9.78米/秒，0.92（一级传动），1.4。 前面已确定选用同步转数为500转/分的电动机，现根据计算的电动机容量p，决定选择YR1000-12/1430型三相绕线式异步电动机，其规格为：p=1000千瓦，n=492转/分，2.95，（GD）1861千克米，0.915。（2）挖掘机实际速度 V9.81米/秒2.挖掘系统变位质量（1）挖掘系统变位重量G有效载荷变位重量：即一次挖掘矸石重量Q5300千克挖掘容器变位重量：G2（Q+q）2（11000+1320）24640千克主挖掘钢丝绳变位重量：4p（H+2H）=4(598+2)=8001千克尾绳变位质量：2q（H+2H）26.25（598+223）8050千克导向轮变位质量：G2380千克挖掘机变位重量：G9310千克电动机变位重量：G（GD）196112823千克总变位重量：GQ+ G+4p（H+2H）+2q（H+2H）+ G+ G+ G5300+24640+8001+8050+2380+9310+1282370504千克（2）挖掘系统变位质量 m=7186千克秒/米六、运动学计算（一）确定挖掘速度图阶段：本挖掘系统为付井罐笼挖掘，决定采用五阶段速度图。（二）确定挖掘加速度a1、 规定：升降人员时a0.75米/秒2、按减速器输出轴允许最大扭矩计算a 1.22米/秒3、按充分利用电动机过负荷能力计算a2.1米/秒式中： 2.95F9566千克4、按防滑条件计算（按挖掘开始考虑）（1）上升侧钢丝绳静张力FFQ+Q+q+4p(H+H)+2qH+Q.5300+11000+1320+43.04（598+30）+26.2523+0.1530026074千克式中： 0.1（2）下放侧钢丝绳静张力F FQ+ q+4pH+2q（H+H）Q. 11000+1320+43.0430+26.25（598+23）-530 19918千克式中： Q.0.15300530千克（3）上升侧运动部分变位质量m m=2604千克秒/米(4)下放侧运动部分变位质量mm2327千克秒/米（5）按防滑条件允许的加速度为：a 1.27米/秒式中：12.7180.915根据以上计算，确定挖掘矸石时a1.0米/秒，挖掘人员时a0.75米/秒。（三）确定减速度a1、规定：升降人员时a0.75米/秒2、按自由滑行减速方式计算（按挖掘终了考虑）。a0.91米/秒3.按挖掘矸时防滑允许的减速度（按挖掘终了考虑）。（1）上升侧钢丝绳静张力F FQ+ Q+ q+4pH+2q（H+H）+Q.5300+11000+1320+43.0430+26.25（598+23）+53026278千克 （2）下放侧钢丝绳静张力F FQ+q+4p(H+H)+2qHQ. 11000+1320+43.04（598+30）+26.2523530 19715千克 （3）上升侧运动部分变位质量m m=2867千克秒/米 （4）下放侧运动部分变位质量mm2064千克秒/米（5）防滑允许的减速度a 3.67 a根据以上计算，确定挖掘矸石及人员的减速度a0.75米/秒（四）速度图各参数计算1、挖掘矸石（1）加速阶段 加速度：a1.0米/秒 加速时间：t9.8秒加速距离：h48.1米（2）减速阶段 减速度：a0.75米/秒 减速时间：t=12.5秒 减速距离：h=12.5=63.8米（3）爬行阶段 爬行速度：取V0.4米/秒 爬行距离：h3米 爬行时间：t7.5秒（4）等速阶段 等速距离：h=H-h-h-h =598-48.1-63.8-3=483.1米 等速时间：t=49.2秒（5）一次挖掘循环时间 Tt+ t+ t+ t+t+ 9.8+49.2+12.5+7.5+1+20100秒式中： 制动减速时间t1秒，20秒2、挖掘人员（1）加速阶段 加速度：a0.75米/秒 加速时间：t13.1秒 加速距离：h64.3米（2）等速阶段 等速距离：h=H-h-h-h =598-64.3-63.8-3=466.9米 等速时间：t=47.6秒（3）一次挖掘循环时间 Tt+ t+ t+ t+t+ 13.1+47.6+12.5+7.5+1+47128.7秒式中： 47秒（根据规定计算）。 3、下放货载 选取aa0.75米/秒。则一次挖掘循环时间与挖掘人员时间相同。七、防滑验算（一）挖掘矸石1、验算挖掘矸石的静防滑安全系数：本挖掘系统为重尾绳系统，以挖掘终了时最小，故应按挖掘终了计算。（1）挖掘终了时，上升侧钢丝绳静张力F：与计算防滑允许减速度相应的F相同。F26278千克（2）挖掘终了时，下放侧钢丝绳静张力F：与计算防滑允许减速度相应的F相同。F19715千克（3）验算静防滑安全系数 2.751.752、验算挖掘矸石之加速阶段动防滑安全系数(1)计算加速终了时，上升侧钢丝绳静张力FF= Q+ Q+ q+4p(H+Hh)+2q（H+h）+Q.5300+11000+1320+43.04（598+30-48.1）+26.25（23+48.1）+53026091千克 （2）计算加速终了时，下放侧钢丝绳静张力FFQ+q+4p（H+h)+2q(H+Hh)Q. 11000+1320+43.04（30+48.1）+26.25（598+23-48.1）530 19901千克（3）计算上升侧运动部分变位质量m m=2606千克秒/米(4)计算下放侧运动部分变位质量mm2325千克秒/米（5）验算动防滑安全系数 1.451.253、挖掘矸石安全制动的防滑验算（1）计算安全制动时需要的制动力矩 按照三倍静阻力矩计算最大制动力矩M M3（Q+H） =3(5300+0.34598)23114千克米 由于在计算下放料石制动减速度时，该制动力矩所形成的制动减速度a1.5米/秒，因此采用一级制动，可调整制动系统，加大制动力矩，则实际的制动力矩M为：M1.5m+（KQ+H） 1.57186+（1.25300+0.34598）24279千克米 （2）验算挖掘矸石的实际安全制动减速度a a= = =3.27米/秒5米/秒(3)验算挖掘矸石的防滑极限减速度a a= = =3.98米/秒式中：F= Q+q+np(H+H)+nqH. =11000+1320+43.04(598+30)+26.2523 =20243千克 满足：a1.752、验算挖掘人员加速段动防滑安全系数（1）计算加速终了上升侧钢丝绳静张力FQ+Q+4p（H+Hh）+2q（H+h）+Q.4200+11000+43.04(598+30-48.1)+26.25（23+48.1）+0.1420023561千克(2)计算加速终了下放侧钢丝绳静张力FQ+4p（H+H）+2q（H+H- h）Q. 11000+43.04(30+48.1)+26.25(598+23-48.1)-0.14200 18691千克（3）上升侧运动部分变位质量m m=2358千克秒/米(4)下放侧运动部分变位质量m2190千克秒/米（5）验算动防滑安全系数 1.881.25式中：挖掘人员的加速度a0.75米/秒3、挖掘人员安全制动的动防滑验算（1）验算挖掘人员实际的安全制动减速度a安全制动力矩M是由一台制动装置产生的，故与挖掘矸石相同，M24279千克米实际的安全制动减速度a为： a= = =3.25米/秒5米/秒式中：m挖掘人员时，挖掘系统的变位质量 m=6806千克秒/米(2)验算挖掘人员的防滑极限减速度a a= = =3.80米/秒式中：F挖掘人员时空载侧静张力F= Q+np(H+H)+nqH. =11000+43.04(598+30)+26.2523 =18923千克 满足：a1.752、验算下放料石时减速段动防滑安全系数（1）计算减速开始时，下放侧钢丝绳的静张力FF=Q+ Q+q+np（H+H-h-h）+nq(H+h+h)Q =4950+11000+1320+43.04(598+30-63.8-3)+26.25(23+63.8+3)-0.14950 =24722千克（2）计算减速开始时，上升侧钢丝绳的静张力FFQ+q+4p（H+h+h）+2q(H+Hhh)+Q =11000+1320+43.04(30+63.8+3)+26.25(598+2363.83)+0.14950 =20920千克（3）计算下放侧运动部分变位质量mm=2571千克秒/米(4)计算上升侧运动部分变位质量m m=2325千克秒/米(5)验算动防滑安全系数 2.351.253、下放料石安全制动的动防滑验算（1）验算下放料石实际的安全制动减速度aa= = =1.57米/秒1.5米/秒式中： M制动器产生的制动力矩，与上提货载相同。m下放料石的挖掘系统变位质量 m=7151千克秒/米（2)验算下放料石的滑动极限减速度a a= = =2.05米/秒 满足：a1.75 2、验算下放人员减速段的动防滑安全系数：（按下放罐满员，上升罐为空罐计算）F22727千克， F19525千克m2360千克秒/米 m2190千克秒/米 2.471.253、下放人员安全制动的动防滑验算（1）验算下放人员实际的安全制动减速器aa= = =1.78米/秒1.5米/秒（2）验算下放人员的滑动极限减速度aa= = =2.16米/秒 满足 aa（五）滑动空罐笼安全制动的动防滑验算1、计算调动空罐笼的实际安全制动减速度aa= =2.57米/秒式中： m调动空罐笼时，挖掘系统的变位质量 mm71866646千克秒/米2、计算调动空罐的滑动极限减速度aa= = =2.8米/秒 满足 a1.75； 动防滑安全系数1.25； 安全制动减速度,在挖掘载荷时a1.5米/秒； 安全制动减速度小于滑动极限减速度aa，aa，a1.1考虑到下放重物时采用电气制动，电动机工作条件恶劣，故电动机容量大一些是合适的。2、工作过负荷校验力图中最大拖动力FF=13375千克电动机额定拖动力 F=9566千克 1.39 0.750.752.952.2 0.75 电动机的最大过负荷能力是够用的。十、付井挖掘平衡作业时间表1、最大班下放工人的实际时间 最大班下放工人次数n10次/班 最大班下放工人时间tn1634.3分40分式中： T下放人员一次循环时间T128.7秒 符合关于最大班下放工人时间不得超过40分钟的规定。2、每班挖掘矸石时间 每班挖掘矸石次数n95次/班 每班挖掘矸石时间tn95158.3分式中： T挖掘矸石一次循环时间T100秒3、其它作业所需时间见挖掘平衡作业时间表付井挖掘平衡作业时间表作 业 名 称单位数量每次数量每班次数每次时间（秒）每班时间 （分）备注下放工人人9406016128.734.3挖掘工人人470608128.717.2运送干部、技术人员人5128.710.7挖掘矸石吨5005.395100.0158.3下放料石吨4.955128.710.7下放木材米2539128.719.3运送炸药3395.019.8运送设备3128.76.4下保健车3128.76.4作业时间合计283.1由上表看出，全部净挖掘工作时间为4.7小时，小于关于净挖掘工作时间小于5小时的规定。3.3小结挖掘机主轴承为挖掘机的关键部位之一，经常发生故障，且故障会影响挖掘机的运行，应重点对挖掘机的主轴承进行监测。选型设计计算后发现该挖掘机负荷大，运转速度低，特别是由本章挖掘机速度图分析知，速度图分为五阶段，在第一阶段初期和第三阶段末期和第四、五阶段，速度较低，挖掘设备启动、停机频繁，经常在以上阶段，主轴承滚子与内外圈滚道为线接触，为弹流润滑状态，依据道森方程，其最小油膜厚度与轴的转速的0.7次方成正比，与载荷的0.13次方成反比。载荷高、转速低，则最小油膜厚度小，形不成全膜流体动压润滑，因此磨损将较为严重。调查还发现，该轴承易发生疲劳失效，保持架故障也时有发生。因此开展状态监测维修具有十分重要的意义。4 矿井挖掘机的主要故障及状态维修应用4.1常见故障现象及处理方法4.1.1主轴承故障现象故障原因处理方法强金属音1.异常荷载2.润滑剂不足，或润滑剂不合适3.组装不良配合修正分析轴承游隙、预压调整轴承紧力润滑油补充，选择合适的润滑剂；对安装方法的改进规则音1.由于异物引起滚道上形成压痕、生锈现象；2.滚道上的剥离 更换轴承不规则音1.游隙过大；2.异物侵入损坏；3.滚动体有伤痕注意轴承游隙的配合、对预压量进行修正更换轴承并清洗相关零件，改善密封装置，使用清洁的润滑油；更换轴承异常温升1.润滑油过多或过少；2.润滑剂不足、不合适；3.跑套（配合面蠕动）4.密封装置不合适，有现象。检查润滑情况；对轴套的修正、改善配合；密封件的修正。振动大1.剥离2.组装不良3.异物侵入更换轴承；应对轴、轴承室、油盖凸缘的垂直度的修正；更换轴承、清洗相关部件，改善密封等。磨损故障1.异物侵入2.生锈电腐蚀的发展3.润滑不良改善密封装置定期清洗轴承室改善润滑剂及润滑方式4.1.2 制动系统故障现象故障原因处理方法闸瓦局部过热制动力矩分布不均匀，调整不当，造成局部接触，单位压力大调整拉杆长度与闸瓦间隙，或车削制动轮（制动盘）使闸瓦间隙一致，接触均匀松闸不灵活转动活结不灵活，制动油缸卡缸，油压压力小检查各部传动活结与制动油缸活塞的动作是否灵活，检查油压是否正常制动力矩不足制动重锤重量不够，或盘形弹簧弹力不够验算制动力矩是否合适，检查盘形弹簧弹力是否合适油压不稳1.密封皮碗或涨圈过紧，或活塞表面不光滑2.油孔或油管堵塞3.密封圈漏气4.油质不良5.油泵工作性能不良检查修理或者更换检查清扫或更换调整或更换换油检查修理闸瓦偏磨1.闸瓦与制动中心线不重合，偏差过大。2.闸瓦间隙不均匀进行调整进行调整制动器操纵把手已推到极限位置，但松闸慢而且不能完全松开，或制动力矩不足1.调整机构或水平小杠杆臂的长短调整不适合2.制动器操纵手把移动的角度不适合3.弹簧的弹力小适当调整杠杆臂的长短移动、调整操纵台上的挡铁更换弹簧4.1.3 减速系统：故障现象故障原因处理方法齿轮有异响和震动1.装配啮合间隙过大或过小2.齿轮加工精度不够或齿形不对3.两齿轮轴线不平行、扭斜或不垂直，接触长度不够4.轴承间隙过大5.齿轮磨损过大6.润滑不良进行调整进行修理或更换进行调整或修理修理或更换超过限度时更换加强润滑齿轮磨损过快1.装配不当，啮合不好2.润滑不良3.加工精度不符合要求4.载荷过大或材质不符合规格，齿面硬度过软或过硬5.疲劳进行调整检查油质牌号是否合格修理或更换调整载荷，材质或硬度不合格、应研究改进修理或更换齿轮断齿1.齿间调入金属物体2.突然或多次超载运行3.材质不良或淬火有问题检查修理制定正常载荷数量和规定改进材质，更换新齿轮传动轴弯或断裂1.齿间掉入金属物体，轴受弯矩过大2.断齿掉入齿轮啮合中3.材质不良4.加工质量不符合要求，产生应力集中，造成断裂取出异物，轴弯超出规定更换新轴停机检查，修理或更换轴料加工前，应进行化验改进加工质量，制定加工工艺规程4.1.4 钢丝绳、天轮、挖掘容器故障现象故障原因处理方法钢丝绳磨损和断裂过快1.缺油2.缠绕不正常3.无衬木或衬木损坏4.钢丝绳倒头使用不及时5.冲击载荷大，并且次数多6.选用的规格不对或材质不佳7.多层缠绕时，临界段位置未及时串换或无过渡块8.钢丝绳托滚设置不当，或转动不灵活加强专责、定期涂油调整钢丝绳偏角，采取加导轮的补充措施增设或更换衬木要及时倒头要采取措施，防止冲击合理选择或更换及时调整串换位置，增设过渡块按标准增设，定期轮换检修钢丝绳折断或伸长过大1.断丝或磨损超限未及时更换2.突然卡罐、急剧停机3.外力突然冲击钢丝绳或挖掘容器要按规定，定期检查更换注意防止，研究防止措施加强检查，避免冲击天轮磨损过快1.安装偏斜，偏摆度过大，天轮与卷筒中心线不在一条直线上2.材质不对3.钢丝绳偏角过大进行检查调整进行改进或更换进行调整，偏角不大于130运转中出现钢丝绳振动或由天轮槽中脱罐1.绳弦过长2.偏角过大增设导轮进行调整，使偏角不大于130天轮轴断1.突然卡罐，急剧停机2.设计有错误3.材质不对4.加工质量不符合要求5.发生过卷事故防止发生这类现象改进设计并更换新轴轴料加工前要进行化验改进并制定合理加工工艺检查过卷开关，制定防止措施断绳保险器动作不灵活1.各部连杆销轴卡紧，转动不灵活或折断2.弹簧弹力小或失效3.缺少润滑油4.插爪动作不灵活或不锐利检查修理或更换更换新弹簧加添润滑油调整修理4.1.5主轴、卷筒故障现象故障原因处理方法卷筒发出轧轧的响声1.连接件松动或断裂2.焊缝断裂3.筒壳强度不够，变形或裂纹进行紧固或更换进行补焊用塑钢作加强筋，进行补焊卷筒壳裂纹1.局部受力过大，联结件松动或断裂2.衬木断裂在卷筒内侧增设立筋，增强卷筒强度更换衬木卷筒轮壳或内支轮松动1.连接螺栓松动或断裂2.加工和装配质量不符合要求进行紧固或更换连接螺栓修理或重新装配，更换新键主轴断裂或弯曲1.各支点轴承不同心度和不水平偏差过大，使轴局部受力过大，造成疲劳断裂2.多次重载荷冲击3.加工质量不符合要求4.材质不佳5.放置时间过久，由于自重产生弯曲变形进行调整防止重载荷冲击改进加工质量，制定合理加工工艺改进材质，加工前材质要化验经常进行转动，勿使一面受力过久4.1.6调绳离合装置故障现象故障原因处理方法运动卷筒卡在轴上活动卷筒的轴套润滑不良，或尼龙轴套与轴粘结在一起加强润滑，油管不能用直角接头。尼龙套粘结时更换新品离合器发热离合器沟槽内有脏物或金属碎屑用煤油清洗，擦拭，加强润滑离合器油缸（气缸）内有敲击声1.活塞安装不正确2.活塞与缸盖间的间隙太小分解检查，重新安装分解检查，重新安装调试，一般间隙不应小于23毫米离合器不能很好的合上内齿圈和外齿轮的轮齿上有毛刺分解检查，清除毛刺4.1.7详细分析主轴承损坏的原因及防范措施 4.1.8小结对以上几个部分常见故障分析后得知，如挖掘机制动系统发生故障后，钢丝绳将会发生断裂，将造成人身伤亡事故，应开展状态监测工作，定期测量制动力矩，对钢丝绳进行无损探伤，以及时发现事故隐患，确保安全生产。主轴承为主轴系统的关键部位之一，一旦出现故障，更换困难，维修费用高，它的失效甚至会造成轴的变形、裂纹等故障，应对其开展振动、磨损等状态监测工作。减速器也为挖掘机的重要部件，可对齿轮的磨损，进行铁谱状态监测工作。因此，对挖掘机开展状态监测维修工作具有十分重要的意义，应加以重视，才能最大限度地减少不必要的意外事故。4.2 状态监测维修在挖掘机中的应用4.2.1概述土豆挖掘机的设计是挖掘机械的四大组成部分之一 。它的运行状态好坏对挖掘安全生产起着重要的作用。实践表明，因挖掘设备故障造成生产损失的情况时有发生。因此，作为预防措施对其故障进行诊断是十分必要的。矿山挖掘设备的维护通常采用定期检修的方法，在日常设备维修中，人们常常根据异响或温升变化等外部因素来判断设备的故障。挖掘设备常故障有多种类型，如断绳、过卷、滑动、制动失灵及轴承和齿轮磨损等。但按此安排的停机检修，有时却发现其内部零件(如轴、轴承、齿轮等)并没有达到失效的程度，于是如何准确地判断设备的故障并及时维修，就成为有关人员十分关注的问题。状态监测维修方式是根据设备的实际情况来确定维修时机，它不对机件规定固定的拆卸分解范围和维修期限，而是在检查、测试其技术状况的基础上确定各机件的最佳维修时机。这种维修方式是靠不断定量分析监测机件的某些参数或性能的视情资料，酌情决定维修时间和项目。视情资料指的是通过诊断和监测表征机件状态参数的资料。可以是逐渐检查的连续记录，也可以是性能参数的连续记录。例如，定期的对润滑油抽样，进行光谱、铁谱分析的记录。它适用于以下的情况： （1）属于耗损故障的机件，而且有缓慢发展的特点（如磨损），能估计出量变到质变的时间。 (2) 能定出评价机件技术状态的标准，如极限状态的参数标准，像正常、警告、危险、立刻修等。 (3) 它对于那些机件故障直接危及安全，而且有极限参数可以监测的机件才是最有效的。如挖掘机的轴承。 (4) 除了眼睛观察及设备本身的测试装置以外，还要有适当的监控和诊断手段。 优点：这种维修方式可以充分的发挥机件的潜力，掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，或者在故障处于轻微阶段时将其检测出来，以便事前采取针对性措施控制和防止故障的发生，从而减少故障停机时间与停机损失，降低维修费用和提高设备有效利用率。既能使设备经常保持良好状态，又能充分利用零件的使用寿命。设备检修周期长度根据设备状况来定，这样可以充分发挥设备的潜力，可以做到根据实际情况进行维修，有可能制定恰当的订货周期和储备量，因而可缩短维修时间和节省维修费用。缺点：费用高，要求一定的诊断条件。为了弥补定期维修的不足，挖掘机中的一些高速旋转而且磨损剧烈的部位，如：齿轮、轴承、液压系统等，采用状态监测维修方式，特别是油样的铁谱分析技术4.2.2 状态维修的理论内涵和特点（一） 状态维修的理论内涵世界各国研究与实践证明，根据设备实际状态进行维修是行之有效的办法。任何设备发生故障前均有一些征兆。例如:挖掘机的主轴承故障前的振动信号、异常声响信号，润滑油内金属颗粒信号的异常变化等。设备由正常状态到故障发生，其状态信号有一个发展变化过程。这个潜在过程可用P一F曲线表示，详见图4.1。故障萌发点代表刚刚出现故障，没有明显征兆;潜在故障点P有明显征兆;F点代表设备丧失功能的故障发生点。由潜在故障点P到功能故障点F通常都会有一段或长或短的时间。通过监测其状态参数，就可以捕捉到故障萌发点或潜在故障点的状态参数变化，从而进行分析，发现故障部位、性质及变化规律。图4.1 设备故障过程的状态信号变化根据状态监测和故障诊断等技术所获取的信息，在故障将要发生之前或运行经济性下降到极限时，有目的地进行适当和必要的检修，这就是状态维修(CBM)。（二） 状态维修的特点其主要特点在于修理的预知性、针对性、及时性和维修方案的灵活多变。(1) 状态维修的核心思想是巡回检测、实时故障诊断和适时适度修理。状态检测、分析需要相应的硬件检测仪器和故障分析软件以及专业维修人员。(2) 状态维修也有计划。状态维修基于测得的设备状态参数，因而它的计划性比传统的维修计划更符合实际。它既需要有计划地进行检测，也强调事先对各种可能的故障做出相应预案，计划好维修措施。(3) 状态维修按照实际需要进行修理。状态维修是在设备运行过程中对设备进行客观、准确的定量或定性检测的基础上实施的，维修时间和措施的安排非常灵活，可以从总体上减少整个设备的故障停机，提高设备运转率，降低人力物力的消耗。(4 )状态维修获得的设备运行参数可以为设备管理和其他信息系统提供支持,还可以通过数据挖掘等技术得到设备故障模式、费效模型等规律知识。（三）状态维修的关键技术CBM技术核心是状态监测、故障分析诊断方法。设备状态监测和故障诊断技术是一门新兴的多学科综合性技术。通过对设备的振动、噪声、磨损、电流、温度、油质等进行监测和技术分析，就可以掌握设备的运行状态，判断设备未来的发展趋势，诊断故障发生的部位、原因，进而具体指导维修工作。4.3 故障诊断与状态监测维修4.3.1 故障诊断技术的发展概况设备故障诊断技术是20 世纪60 年代初，由于军工、航天的需要发展起来的一门新技术，最早开展这方面研究的是美国。设备诊断技术一直与设备维修紧密联系，随着设备管理、维修方式的发展、诊断技术的进步，设备故障诊断在不同的设备管理方式中表现出不同的功能作用，并且越来越占据主要的地位。（1）事后维修阶段(Run to Breakdown Maintenance)。在19 世纪工业化初期，当时机器设备本身技术水平和复杂程度都很低，当设备在运行当中突然发生故障，才被迫停机修理。这一阶段的维修被称为事后维修。故障诊断的目的就是迅速找到故障发生的部位，为机器的迅速修复提供依据。故障诊断的手段是通过对设备的解体分析并借助以往的经验以及一些简单的仪器。（2）预防维修阶段(Preventive Maintenance) ，也称定期维修(Time-Based Maintenance)，。进入20 世纪后，随着大生产的发展，机器设备本身的技术复杂程度也有所提高，设备故障或事故产生的影响显著增加，从而出现了定期预防维修方式。这时故障诊断的目的在于为合理的维修周期的制定提供依据，并在定期维修前检查突发性故障。可以减少非计划(故障)停机，将潜在故障消灭在萌芽状态，容易掌握维修时间，维修计划，组织管理工作也较简单、明确。同时这种方式有较好的预防故障作用。预防维修采取定期检修或定期更换设备零件等方式来预防故障的发生，其理论依据是设备故障率会随着运行时间的增加而增加。故障发生模式可以通过经验或统计得出，具有如同图4.2所示的浴盆曲线。图4.2 设备故障的浴盆曲线如图4.2所示，T1代表设备运行初期各零件之间的磨合期;经过一段时间后，进人故障偶发期T2，故障很少发生;当设备进入老化阶段后,故障概率又逐渐增加,进人磨耗区T3。在具体实践中, 根据设备磨损特点，周期性计划维修制度分为大修、小修、重点检修，有严格的作业程序和时间周期，但这种维修制度存在很多弊端和局限性。（一）维修模式僵化周期性计划维修对设备维修不分主次，不分重点，无论简单还是复杂设备；无论是振动大的设备还是振动小的设备；一律制定年计划、月计划、周计划预修表，并严格按周期表执行作业，一些原来磨合很好的部件又被重新拆卸，不该加油润滑的部件又被重新加油，这就产生了过度维修或不必要的拆卸；设备维修后，精度恢复，但正常运转后又要磨合一段时间才能发挥正常水平，这段时间内不仅半制品、成品质量受到影响，而且产量也会受到影响。（二）人力资源配置不合理周期性计划维修制度分工过细，保全、保养人员工作技能单一，劳动力资源浪费严重，部分人一段时间无所事事，而部分人却忙得不可开交；这样在大小修理的拆卸中用工多，而且受拆卸顺序限制，产生“窝工”现象，导致正常运转的设备因停车时间过长，降低了设备运转率。（三）物料浪费严重周期性计划维修以“预防为主”，其预防的关键是以“计划维修”来实现的，它的特点是不论设备运转状况如何，到了周期作业时间一律拆卸重新组装，更换日常易消耗的部件，使机件物料消耗增大，产生不必要的维修费用。这种计划作业虽然起到了预防作用，但缺乏针对性，盲目性强。这种维修方式只适用于以下情况 ：（一）故障机制带有明显的时间相关性。与时间相关的故障其主要故障模式为磨损。机件的磨损是随着使用时间而增长的，并具有一定的规律。比如轴承等。（二）在设备使用期限内，机件出现预期的耗损故障，这样可以依据其磨损规律，预测即将发生故障的时间，过此时期故障率将迅速增高。亦即可较准确地掌握设备或机件的使用寿命。（三）对于一些重要的机件很难检查和判断其技术状况时，则定期维修方式是一种有效的方法。结论：预防维修对磨损以外的其它故障模式，如疲劳、锈蚀以及机件材质，或因使用维修条件等方面影响造成的故障未能考虑在内。不能针对设备的实际技术状况进行维修。预防工作采用“一刀切”的大拆大卸方法，使拆卸次数增多，不利于充分发挥机件的固有可靠性，甚至导致故障的增加。对于难以更换的部件，这种维修方式并不理想，因为结构愈复杂，故障模式愈不能具有明显的时间相关性；其次，复杂机件，不管是更换还是修理，都很费时、费钱。（3）状态监测阶段(Condition-Based Maintenance,CBM)。从20 世界60 年代起，设备诊断技术随着计算机技术、信号处理技术等的发展，出现了更科学的按设备状态维修的方式。这一阶段以状态监测为中心，维修策略是定期地对设备的状态进行监测，依据监测的结果决定是否对设备进行维修。从而避免了预防维修中的过剩维修，大大降低了维修成本，这种维修也被称为预测性维修（Predictive Maintenance）。诊断的手段是以信号采集与处理为中心，多层次、多角度地利用各种信息对设备运行状态进行评估。4.3.2 故障诊断、状态监测的概述（一） 设备故障诊断技术的概念设备故障诊断技术又称设备状态诊断技术（Machine Condition Diagnosis Technique），是一种通过监测设备的状态参数，发现设备异常情况，分析设备故障原因，并预测预报设备未来状态的一种技术。其基本功能是在不拆卸和基本不拆卸设备的情况下，掌握设备运行现状，定量地监测和评价设备的以下状态：设备所承受的应力；强度和性能；故障和劣化；预测设备的可靠性。在设备发生故障的情况下，对故障原因、故障部位、危险程度进行评定，并确定正确的修复方法。（二）设备状态监测的概念对运转中的设备整体或其零部件的技术状态进行检查鉴定，以判断其运转是否正常，有无异常与劣化征兆，或对异常情况进行追踪，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度等，这种活动就称为状态监测（Condition Monitoring）。状态监测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，以便事前采取针对性措施控制和防止故障的发生，从而减少故障停机时间与停机损失，降低维修费用和提高设备有效利用率。（三）状态监测维修与故障诊断的关系设备诊断技术与人们熟悉的医学上的症状诊断是十分相似的，对设备进行的定期检查，就相当于对人体进行的健康检查，设备定期检查中发现的设备技术状态异常现象，则相当于人体检查中发现的各种症状，根据设备技术状态对设备劣化程度与故障部位、故障类型故障原因所作分析判断就相当于根据人体和人体症状对病位、病名、病因所作的识别鉴定即诊断。所以，进行设备诊断必须有正确的根据，这就必须进行状态监测和记录，掌握设备从过去到现在的经历及状态。状态监测与故障诊断是诊断技术的两个组成部分，有联系但又不同。状态监测主要是对设备的技术状态进行初步识别，故障诊断则是对该状态的进一步分析识别和判断。所以，状态监测是设备诊断的基础，设备状态监测是设备诊断技术不可缺少的组成部分。设备故障诊断技术的完善、发展和普遍应用，是实现设备维修体制变革的前提，最终实现状态监测维修，以取代传统的定期计划维修体制。（四） 状态监测维修的意义状态监测的目的在于掌握设备发生故障之前的异常征兆与劣化信息，或者在故障处于轻微阶段时将其检测出来，以便事前采取针对性措施控制和防止故障的发生，从而减少故障停机时间与停机损失，降低维修费用和提高设备有效利用率。既能使设备经常保持良好状态，又能充分利用零件的使用寿命。设备检修周期长度根据挖掘设备状况来定，这样可以充分发挥挖掘设备的潜力，可以做到根据实际情况进行维修，有可能制定恰当的订货周期和储备量，因而可缩短维修时间和节省维修费用。显然状态监测维修是一种更科学、更加合理的维修方式，既可避免过剩维修又可防止维修不足。要求我们对挖掘机的维修方式由传统的维修方式向状态维修转变。状态维修势在必行。可见状态维修在挖掘机维修中的必要性。4.4 故障诊断方法选择在故障诊断过程中，首先应利用一些简易测试仪器或靠感官等来发现设备的异常信息；然后对所获得的信息结合设备运行的工况进行综合分析。充分利用信息的特征与故障的关联程度，排除干扰，去伪存真，达到准确判断故障的目的。4.4.1振动监测分析法 采用测振仪对挖掘机的轴承处进行垂直、水平和轴向三个方向的位移、速度和加速度进行测量，并将测量结果与标准样本(挖掘机运行良好时的测量结果)进行比较，通过分析来判断轴承的好坏。由于测试可能受到种种因素的干扰，有时无用的信息会把真实信号淹没，对诊断结果产生不利影响。因此，在判断异常原因时，要充分利用一些测试数据对故障较为敏感的特征进行诊断。例如，当滚动轴承产生点蚀时，信号将产生一尖脉冲，这必然与轴承座系统及传感器系统的固有频率相吻合，从而产生谐振。根据测量信号的这一特征，即可对轴承损坏进行故障诊断分析。4.4.2 油阻尼法当挖掘机中的滚动轴承出现异常时，其造成的机械振动则显著加剧。诊断轴承故障的油阻尼法是基于油的润滑和阻尼可明显地减少振动这一事实。当向有异常的轴承内注入新油时，如果轴承存在故障，则加油后故障信号会明显减小，而过一定时间后，振动信号又会逐步恢复到原有状态。反之，如果轴承不存在故障，则向轴承注入新的润滑油后的较长时间内，其振动信号都不会或只有微小变化。4.4.3温度法轴承温度上升超限一般标志着轴承可能是缺油、油质变差或有非正常等情况，同时也会诱发振动变化。判断异常较为简便的方法是看轴承温升的幅度大小和速度。缺油表现：温升速度较快、触摸烫手，同时振动强度增加、音响变大。油质变差：温升速度缓慢平稳，手感温热，振动音响变化不大。密封损坏或异物堵塞等产生的故障：温度上升迅速，手感烫热难耐，振动变化较小，这时用手转动轴颈则感到转动阻滞 如果再采用脉冲计测试，则更有利于对故障做出准确的判断。4.4.4铁谱分析法当挖掘机变速箱内的齿轮和轴承产生磨损时，其磨粒必将混入齿轮和轴承的润滑油中。因此，可通过检查润滑油中磨损磨粒的形态、尺寸、数量、表面形貌、粒子大小分布及磨粒成分等，来分析润滑部分的磨损程度以及磨损的部位，从而判断机械设备运行状态和零部件是否失效。在此基础上，还可对机械设备有关部件检修周期与使用寿命做出预报。4.4.5方法选择结合选型设计部分五阶段速度图分析知，挖掘机频繁启动、停机，本身振动就很大，信噪比低，对挖掘机轴承的监测会有干扰，不适用于振动分析监测方法；油阻尼法监测方法虽然简单，但是监测周期长，往往结果还没分析出来时，轴承可能已经到达失效阶段，且不能精确判断轴承故障类型和准确部位；挖掘机主轴为热的传导体，不正常温升将很快被散发掉，若采用温度法，对轴承初期监测不是太灵敏。而铁谱监测方法恰恰能克服以上几种监测方法的缺点，且能准确判断挖掘机运行状态和轴承是否失效，还可对挖掘机轴承检修周期与使用寿命做出预报。因此是一种相对而言较好的挖掘机状态监测方法。本次毕业设计重点采用铁谱技术对挖掘机主轴承磨损状态进行分析。5 采用铁谱技术开展轴承状态监测为及时发现轴承异常，避免突发故障，应开展轴承状态监测工作，综合比较以上四种最常用的检测方法，结合挖掘机主轴承的特点，对轴承的磨损状态，最好采用铁谱技术进行分析。5.1 铁谱技术与光谱、磁塞检测比较5.1.1铁谱技术原理铁谱技术（Ferrography）是20世纪70年代出现的一种新的油液分析方法。它是利用高梯度的强磁场将润滑油中所含的机械磨损微粒和污染杂质有序地分离出来，借助铁谱显微镜对分离出的微粒和杂质进行有关形状、大小、成分、数量及粒度分布等方面的定性和定量观测，便可判断机械设备的磨损状况，预报零部件的失效。铁谱技术的内容包括磨损微粒的分离、大小微粒数量的测定、数据的综合与处理，磨损趋势的分析、微粒形态的观察与分析，基于以上过程最后作出诊断结论。这一技术目前基本仍然属于离线监测技术，主要依靠实验室人员的操作和经验去作出诊断。目前研制出的可安装于润滑管路中的在线式铁谱仪，使用还不普遍。5.1.2油样光谱分析的简单原理油样光谱分析的简单原理，就是利用油样中所含金属元素原子的光学电子在原子内能级间跃迁产生的特征谱线来检测该种元素的存在与否，而特征谱线的强度则与该种金属元素的含量多少有关，这样，通过光谱分析，就能检测出油样种所含金属元素的种类及浓度，以此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度，并依此对相应零部件的工况作出判断。但是光谱分析仅对10m以下的小颗粒敏感，对于大于10m以下的磨屑反应迟钝。5.1.3磁塞检测的基本原理磁塞检测的基本原理是，将磁塞安装在润滑系统中的管道内，用以收集悬浮在润滑油中的铁磁性磨屑，然后用肉眼对所收集到的磨屑大小、数量和形貌进行观测与分析，以此推断机器零部件的磨损状态。由此可以看出，磁塞检测法是一种简便易行的方法。但是磁塞方法只对大于50m的大颗粒敏感。 5.1.4铁谱技术的特点(1) 应用铁谱技术能分离出润滑油中所含较宽尺寸范围的磨屑，故应用范围广。铁谱分析对于0.1-10m的颗粒都敏感。 (2) 铁谱技术利用铁谱仪将磨屑沉积在基片上或沉淀管中，进而对磨屑进行定性观察分析和定量测量，综合判断机械的磨损程度，同时还可对磨损微粒组成元素进行分析，以判断磨损发生的部位。可以说，铁谱技术提供的故障特征信息更丰富，对故障诊断的解释性更强。铁谱技术的缺点在于：定量分析结果不准确，数据离散性较大；对润滑油中非铁系微粒的检测能力较低。例如在对含有多种材质副的机器，像对发动机进行监测诊断时，往往感到不得力；对磨粒识别至今仍较多依赖操作人员的经验；由于铁谱片制备和人工识别磨粒耗时多、速度慢，所以不能理想地适应大规模设备群的故障诊断。需要说明的是：在实际应用铁谱仪分析时，操作者经验丰富，对于非铁系微粒和污染物（例如有色金属、纤维、油泥、积碳、灰尘等），也可以靠微粒和污染物自身的重力及强磁场作用下的表面弱磁性沉积在谱片上，通过显微镜加以识别。5.2 铁谱仪器选择5.2.1 分析式铁谱仪（1）工作原理分析式铁谱仪是一种常用的铁谱仪器，它是将油液中的磨损金属微粒及污染杂质颗粒从油液中分离出来，制成铁谱基片，再在铁谱显微镜下进行定性观测和定量分析。图5.1 铁谱制谱仪工作原理如图5.1 所示，从设备润滑系统或液压系统取的原始油样经制备后，由微量泵送到与磁场装置2呈一定角度的玻璃基片1上。在随油样流下的过程中，可磁化的磨损微粒在高梯度磁场作用下，由大到小依序沉积在玻璃基片的不同位置上，沿磁力线方向（与油流方向垂直）排列成链状，有色金属磨损微粒及污染杂质颗粒主要靠重力作用，随机沉积在铁谱基片上，经清洗残油和固定微粒的处理之后，制成铁谱基片。在铁谱显微镜下，对铁谱基片上沉积的磨损微粒进行大小、形态、成分、数量等方面的特征定性和定量分析后，就可以对所监测的设备的零件的学状态作出判断。（2）结构特点现以TPF-1 型分析式铁谱仪（图5.2）来说明其结构特点。分析式铁谱仪主要由铁谱制谱仪、铁谱显微镜和铁谱读数器组成。 图5.2 TPF-1型分析式铁谱仪铁谱制谱仪主要用于分离油样中磨损微粒并制成铁谱谱片，它由微量泵、磁铁装置、玻璃基片、特种胶管及支架等部件组成。磁铁装置是制谱仪的核心装置，它的磁感应强度大于1.5T（特），磁铁上方空间最大磁感应梯度5T/cm，所能分离的磨屑粒度范围为10-10m。由于磁铁（图5.3）的U形磁回路和尖劈状极头使磁场高度集中在极头相对细长狭缝之中，磁铁上方空间则是发散磁场，这样在气隙中心面P内沿y方向形成很高磁场梯度。磁源采用铝镍钴合金，其技术性能保证较高的磁场和较好的磁稳定性。极头形状是决定磁场空间分布的重要因素，气隙宽度g、直线过渡r 和角度a是三个决定参数（见图6.3 中A 放大）。A=60时磨粒分布、沉积量及沉积效率最佳，r=g=1.6mm 时，磨粒沿水平方向不均匀沉积状态得到改善。 图5.3 磁铁结构示意图输送油样的微量泵有反向和快慢速选择，并可以通过微调旋钮将油样在铁谱片上的流速准确地调节在15ml/h的工作流量上，压力约0.35MPa，胶管为采用氟硅胶材料。基片材料采用60mm25mm0.17mm 尺寸的盖玻片（图5.4），基片上U形膜由PTEF塑料制成，它对油有不浸润性，能很好地限制油流方向。 图5.4 铁谱基片5.2.2 直读式铁谱仪直读式铁谱仪主要用来直接测定油样中磨粒的浓度和尺寸分布，只能作定量分析，能够方便、迅速而较准确地测定油样内大小磨粒的相对数量，因而能对设备状态作出初步的诊断，是目前设备监测和故障诊断的较好手段之一。如果不仅要了解磨损微粒的数量及分布情况，还要观察分析磨粒的形态、表面形貌和成分等因素，作出较准确的诊断，就需使用分析式铁谱仪。（1）工作原理如图5.5 所示，取自机器的油样经浓度及粘度稀释后，在虹吸作用下流经位于磁铁上方的玻璃沉淀管，油样中可磁化微粒在高梯度磁场作用下，依其粒度顺序排列在沉积管内壁不同位置上。在沉积管入口处，即在1-2mm位置上沉积着大于5m的大磨粒，而在5mm之后的位置沉积着只有1-2的小磨粒（图5.6）。 图5.5 直读式铁谱仪工作原理图在代表大小微粒的沉淀位置各有一束光穿过沉淀管，并被放置在沉淀管另一侧的光电传感器所接收。第1 道光束设置在能沉淀大磨损微粒的管进口处，相距5mm 处设置的第2道光束刚好位于小微粒的沉积位置上。随着磨损微粒在沉淀管壁上的沉积，光传感器所接受的光强度将逐渐减弱。因此，数显装置所显示的光密度读数与该位置上沉积的磨损微粒的数量相对应。大约2ml 油样流过沉淀管后，上述两个传感器所测出的光密度读数D和D将分别代表大于5 和小于2的磨损微粒数量。 图5.6 沉积管内的磨粒排列5.2.3在线铁谱仪在线铁谱仪可安装在机器的润滑循环油路中，实时地测出机器中磨损微粒的浓度及尺寸分布，以此监测机器的工况。在线铁谱仪由传感器装置和数显装置组成。传感器装置由一个收集磨屑的高梯度磁场和一个表面效应电容传感器组成，它直接安装在电路上，传感器测出的磨屑浓度及尺寸分布由数显装置显示，其中磨屑浓度用mg/L表示，量程为0-1000。当浓度值达99.9（第一挡）或999（第二挡）时，数显装置将给出警告信号。在线铁谱仪除给出磨屑浓度定量参数外，另一定量参数是大颗粒百分数。在线铁谱仪测量磨屑数据的方法与分析铁谱仪或直读铁谱仪略有不同。它不是测定油样中的磨损颗粒含量，而是测量达到某一预定磨损颗粒量时，所通过的油样体积。当磨损率增加时，油样磨损浓度增加，沉积一定数量磨屑所需的油的体积减少，读数增大。这种方法的优点在于测量范围很宽而且可变，因而使在线铁谱仪能够应用于各种类型的机器。根据磨屑浓度的不同，一般测量时间可从30s至30min。在线铁谱仪适宜用于各种现场机械装备的工况监测，同时也特别适用于各种试验台架上进行的样机试验。实验室评价试验的结果表明，在线铁谱仪能用于评价一个循环系统中磨屑浓度的“实时”变化，并与分析铁谱的覆盖面积百分数有较好的对应关系。5.2.4 旋转式铁谱仪分析式铁谱仪、直读式铁谱仪应用较广泛，分析技术较成熟，尤其是分析式铁谱仪同时具有定量和定性分析双重功能。但是这些铁谱仪对污染严重的油样（例如挖掘机械或工程机械内的润滑油等）的定量和定性分析效果不好，主要是制谱过程中，润滑油中的污染物会滞留在铁谱片上，如果滞留数量较多，将影响对磨粒的观测。为克服上述缺点，旋转式铁谱仪问世。为避免由于磁力线垂直于基片而造成铁磁性磨屑堆积重叠的缺点，旋转式铁谱仪重新设计了磁场，它是利用永久磁铁、极靴和磁轭共同构成闭合磁路，以极靴上的3个环形气隙（0.5mm的窄缝）作为工作磁场。工作位置的磁力线平行于玻璃基片，当含有铁磁磨屑的润滑油流过玻璃基片时，铁磁磨屑在磁场力的作用下，滞留于基片上，而且沿磁力线方向（径向方向）排列。图5.7 制谱原理示意图旋转式铁谱仪的制谱原理如图5.7所示。制谱时，油样由定量移液管1 在定位漏斗的限位帮助下，被滴注到固定于磁头4上端面的玻璃基片3上。磁头、基片在电机5的带动下旋转，由于离心作用，油样沿基片四周流动。油样中铁谱性及顺磁性磨屑在磁场力、离心力、液体的粘滞阻力、重力作用下，按磁力线方向（径向）沉积在基片上，残油从基片边缘甩出，经收集由导油管排入储残油杯。基片经清洗、固定和甩干处理后，便制成了谱片。旋转式铁谱仪制出的铁谱片，磨屑排列为3个同心圆环，内环为大颗粒，大多数为1-50，最大可达几百微米，中环为1-20，外环。对于工业上磨损严重并有大量大颗粒及污染物的油样，采用旋转式铁谱仪可以不稀释油样一次制出，对于磨屑比较少的油样则可以增加制谱油样量。制出的谱片还可以在图像分析仪上进行尺寸分布的分析。5.2.5仪器选择综合以上四种常见铁谱仪的工作原理、结构特点和适用范围，结合挖掘机的工作场合，可以分析得出，分析式铁谱仪的缺点：在铁磁性颗粒沉积在谱片上的同时，煤粉、矸石也在重力作用下沉积在谱片上，对定量、定性分析干扰较大，且谱片入口处堆积较大，随机性很大。直读式铁谱仪的缺点：对颗粒无法在显微镜下分析颗粒的具体形貌、颜色等作定性分析，影响分析的结果。在线式铁谱仪虽然可以实时监测，但是也无法作定性分析。旋转式铁谱仪能克服以上三种铁谱仪的缺点，因为旋转式铁谱仪转速可调，在离心力作用下可将非铁磁性的污染颗粒全部甩掉，排污力强，不易堆积，且沉积区域大，随机性很小，因此旋转式铁谱仪非常适合于污染严重的挖掘设备，尤其适合于对挖掘机的主轴承开展状态监测工作。5.3铁谱油样取样规范任何一台正常运转的设备，其润滑系统中的磨损颗粒浓度必然要达到动态平衡状态。当颗粒平衡状态遭到破坏时，则意味着设备状态的改变。因此，取样操作首先必须保证所取的油样含有能反映设备工况变化的磨损颗粒，才能通过铁谱分析作出正确的判断。否则，油样失去代表性，就可能导致对设备状态作出错误的判断。a. 取样位置。在挖掘机润滑系统中的不同位置，磨损颗粒分布情况差异很大。在某些位置，如过滤器前后或油箱上、下部位，颗粒数量与尺寸分布相差悬殊。因此，应遵循下述要点选择取样位置：始终在挖掘机同一位置取油样；循环润滑系统的管线中取样，应在润滑油流经全部副之后，即在过滤之前取样；若从油箱中取样，应考虑颗粒沉淀的影响；如果停机后取样，取样位置在油面下的浓度随停机时间延长而增加，应避免在底部、箱壁或死角处取样。因油管底部还有其他油样沉淀容易混杂在一块，应避免从管底部取样，最好在轴承回油管路中取样。b. 取样时间。取样时间的选择要着重考虑颗粒沉淀的影响，一般应遵循下述要点：若从润滑管道中取样，则必须在挖掘机工作时取样；从油箱中取样应尽可能在挖掘机工作时进行，若不可能则应在停机后立即取样；应选择在挖掘机同一运转状态下取样。c. 取样频率。取样频率主要根据设备的性质和对状态监测的要求来确定，主要考虑下述因素：由于新油在炼制、运输、装卸等过程中可能会进入少量颗粒，因此在挖掘机工作前应对未使用过的新油取样，作为识别非挖掘机本身引入颗粒的判断基准；新的挖掘机或大修后的挖掘机在启动和运转的初期生成的磨损颗粒，常常能反映出诸如安装不良、零件不合格、设计不当等缺陷，或超速超载等不当的运行，因此应在挖掘机运转后一小时内取一次样；新的挖掘机或大修后的挖掘机在跑合阶段应增加取样频率，以便及时发现不正常现象，保证正常跑合；进入正常磨损阶段后，取样间隔可加大，并根据设备性质与监测要求确定取样频率。d.取样工具。取样工具包括安装在润滑管线上或油箱中的取样阀、管等以及抽样工具、储样瓶等。对其主要要求是：置于管线和油箱中的永久性取样阀、管等，在取样前应放掉两倍于残留油体积的油样，保证所取油样中不含有上次取样时的残留油样；抽样器、储样瓶应经过清洗、烘干；取样工具应不被油样腐蚀、溶解；储样瓶最好采用浅色、透明，带四氟乙烯帽垫瓶盖的玻璃瓶；油样量不应超过储样瓶容积的3/4，以利于铁谱分析前把油样摇晃均匀。5.4铁谱油样处理从储样瓶抽取油样时，对油样要进行计量，可以采用天平的称重法。（1）加热与搅拌加热和搅拌的目的是为了使从挖掘机润滑系统中采集的油样的磨损微粒能够均匀分布，使铁谱分析的油样更具有代表性。从储样瓶中吸取油样前，先将储样瓶放入烘箱或采用其它加热方法，将油样加热到655，保温约30min，使瓶内液体充分形成对流。用手剧烈摇晃储样瓶，或在专用摇晃振动装置上进行摇晃、振动约10min，使油样中的磨损微粒完全均匀分布，呈悬浮状态，务必使肉眼观察不到瓶底有沉淀物。用刚清洗过的吸液管迅速取出所需量的油样，立即进行铁谱分析。如停放时间过长，应重新进行加热搅拌。（2）稀释在铁谱分析之前，必须对油样进行粘度稀释和浓度稀释，配制成一种可用作铁谱分析和检测的规范溶液。油样的粘度稀释，是指在原润滑油样或经浓度稀释后的油样中加入一定比例的四氯乙烯或粘度更低的纯净油品，以降低所要分析的油样的粘度。油样的粘滞阻力直接影响着磨损微粒的沉积效应，油样经粘度稀释后，加快了磨损微粒在磁场作用下的沉积过程和油液的流动性。旋转式铁谱仪经验推荐值为11。对于一些粘度很高的油样，根据情况可适当加大粘度稀释剂的用量。油样的浓度稀释，是指在原润滑油样中加入一定比例的与原油样同一牌号的油，以降低油样中所含磨损微粒的浓度。因挖掘机滚动轴承产生的颗粒少，浓度本身就低，无需进行稀释。5.5 铁谱技术中的定量分析方法5.5.1定量铁谱的理论依据（1）机械的磨损率是磨损工况的重要标准。机械磨损率的改变，必然导致润滑油中磨屑生成和沉积的平衡浓度改变。因此铁谱片上磨屑的总数可作为定量铁谱分析的另一个指标。（2）磨损颗粒的最大尺寸与磨损类型有关。如果测量出或计算出铁谱片上颗粒的尺寸以及它们在颗粒总数中所占的比例，就可以推断取油样时设备所处的磨损类型和程度。5.5.2铁谱分析的定量参数大量研究表明，正常磨损过程中产生的磨损颗粒，其最大尺寸在20以下，其中绝大多数的磨粒在2或更小些，而不正常的磨损过程中所产生的磨粒尺寸大部分大于20。由此可见，当被监控的润滑系统处于正常的磨损过程中，D与D的差值较小（D与D的值分别代表分析式铁谱仪铁谱基片上入口处和出口处光密度读数，D值一般略为大一点；如果系统或设备在某一时间内突然出现磨粒数量急剧增大，或磨粒中的大、小颗粒相对尺寸急剧增大，则此时D值将显著地大于D值，这表明系统或设备开始出现严重磨损过程。以上可用标志磨损变化程度的两个特征量磨损程度和总磨损量表示。铁谱分析的定量参数有：（1）磨损程度。（DD）值可作为发生不正常磨损状态的一个指标，它表明了在大多数不正常的磨损状态下，D值会大大地超过D值。反映在浓度一定时，大小颗粒的相对含量。（2）总磨损量。（ D+D）值的大小，表明不正常磨损状态发生时，磨损颗粒的数量急剧增多，即反映不同时间磨损微粒总量的变化。（3）磨损烈度。磨损程度反映了大、小颗粒的相对程度，而总磨损量反映了总的磨损颗粒的多少。但如果系统或设备发生急剧磨损，（DD）值就比正常磨损时有很大的增加，同时急剧磨损会造成油样中磨屑的总量也急剧增加，（ D+D）值也比正常磨损时有很大的增加，因而采用磨损烈度I这个参数：I=（ D+D）（DD）= DD不同时刻磨损烈度I的变化不但反映了不同时刻的系统或设备磨损状况的变化，而且表征了不同时刻系统或设备的故障或损坏状态程度。该参数的特点是对开始发生严重磨损甚为敏感。类似上述参数，旋转式铁谱仪则以内圈、中圈、外圈各自的光密度读数D、D和D表示，将磨损烈度定义为I ID（D+ D）。（4）大磨粒百分数。大磨粒百分数PLP为大磨粒在磨粒总量中的百分数，即：PLP=（DD）/（ D+D）除上述参数外，还有累积总磨损（ D+D）和累计磨损烈度I等。目前，国内外工程界将磨损烈度I以及磨损程度（DD）和总磨损量（ D+D）或用于润滑系统的监测中，进行对系统或机器状态的诊断、监控和损坏的预报和追踪。需指出，由于设备不同，其润滑系统也各不同，加之工况条件又十分复杂，影响因素很多，系统或设备的磨损颗粒和尺寸分布会差别很大。较为普遍的定量分析做法是，对设备长期地监测，记录工况条件下该设备的磨损趋势图（指D、D以及I等参数随磨损时间或磨损距离的变化曲线），确定出正常磨损的基准线、非正常磨损的监督（注意）线以及严重磨损的限制（警告）线，作为对该设备的状况判断准则，同时实施预报。5.6铁谱技术中的定性分析方法5.6.1概述铁谱技术的特点在于它不但能定量测量润滑油系统内大、小磨粒的相对浓度，而且能直接考察磨粒的形态、大小和成分，后者更是它的独到之外。因此，在铁谱片上从数以百万计的千姿百态微观物质中准确地识别各类磨粒，便是每个运用铁谱技术开展设备故障诊断工作的人员所必须掌握的一门独特技术。为此，国外在总结了十几年实践经验的基础上，编辑并发表了几百张典型磨粒图谱。近几年来，我国也在一些专业领域中陆续编辑了有关轴承、齿轮、柴油机、液压系统等特定零件、系统和设备的磨粒图谱，这些都为运用铁谱技术定性分析提供了宝贵的参考资料。在铁谱技术中，一般使用分析式铁谱仪中的铁谱显微镜观察和识别各种磨粒。为了深入研究，也常使用扫描电子显微镜，它具有放大倍数高、分辨力强、景深长，以及配上能谱仪或波谱仪可以准确判断磨粒成分的优点，但由于成本过高，仅在分析未知磨粒成分时加以采用，不可能作为开展设备诊断的常规仪器。在掌握磨粒识别的方法之后，分析式铁谱仪可以基本满足要求。5.6.2磨粒的识别及形成机理挖掘机运转中，润滑系统的污染物主要来源于三个方面：机械零部件在磨损过程中生成的磨损微粒；外界灰尘或水等物质侵入油液中；油液中添加剂反应后的余物。实践证明，磨损微粒是最常见、危害最严重的污染物。一方面，这些磨损微粒由各种金属、非金属材料组成，对油液起氧化、催化作用，加速油液劣化；另一方面，材质较硬，又随油液流入各表面，划伤、研伤零件表面，造成间隙增大、精度下降、振动和噪声产生。磨损颗粒的数量、尺寸大小、尺寸分布、成分和形貌特征都直接与机械零件的磨损状态密切相关，它们是挖掘机状态监测、故障诊断以及初期预报的重要依据。本次毕业设计通过铁谱显微镜分析大量挖掘机主轴承在不同状态下,油样有如下几种典型颗粒存在。（1）钢铁磨损微粒的识别。实验研究表明，由于磨损机理不同，其副表面会产生出不同形态及尺寸特征的磨屑。钢或合金钢材质组成的副在运转时磨损产生的微粒可分为以下几类。1）正常磨损微粒（见图5.8）。正常磨损微粒是指挖掘机在正常运行状态下，由于滑动磨损所产生的磨损微粒。当副磨合时，其表面会形成一层厚度大约在1的光滑表层剪切混合层，形成稳定的剪切混合层后机器就处于正常磨损状态。在运行时，由于力的周期性作用，因疲劳而产生小片剥落，这一层不断剥落又不断产生，从而形成稳定的磨损状态。这时的磨屑是一些具有光滑表面的“鳞片”状颗粒，其尺寸范围是长轴尺寸为20以下，甚至更小，厚度在0.151 之间。较大的磨屑，其长轴尺寸与厚度之比约为10：1；长轴仅为0.5 的小磨屑，长轴尺寸与厚度之比约为3：1。图 5.8 正常滑动磨损微粒2）严重滑动磨损微粒（见图5.9）。依据前面章节进行的润滑状态分析得知，油膜厚度不够，轴承粘着磨损较大，在载荷或速度过大时，造成磨损表面接触应力迅速增大，就将进入严重滑动的磨损过程。这时剪切混合层失去“动态平衡”，变得很不稳定，出现大颗粒脱落。如果表面应力继续增加，就会造成整个表面发生剥落，出现破坏性磨屑，磨损速度将迅速加快。大磨屑与小磨屑的数量比，决定于表面应力超过极限值的程度，应力值越高，大磨屑的比值就越高。严重滑动磨损磨屑尺寸在20 以上，长轴尺寸与厚度之比约为10：1，微粒表面有划痕，有直的棱边，随着磨损程度的加重，表面的划痕和棱边也更显著。正常磨损进入严重滑动磨损的主要标志是大于20 的磨损微粒，以至增大可达50200的严重滑动磨损微粒愈来愈多，还有表面形貌从光滑变得有划痕和出现直角边缘。图5.9 严重磨损微粒3）切削磨损微粒（见图5.10）。土豆挖掘机的设计污染严重，煤粉矸石石英等进入轴承，将产生切削磨损微粒。切削磨损微粒类似车床切削加工产生的切屑，这种磨粒形态一般有环状、螺旋状、曲线状等。产生切削磨粒的原因大约有两种： 副中较硬的一方由于安装不良或出现裂纹，造成硬的刃边，穿入较软的一方产生磨屑。这种磨屑通常都比较粗大，平均宽度为25，长度为25100；润滑系统中的外来污染颗粒或是系统内的零件磨损微粒，均可嵌入磨擦副中软的表面，在过程中产生切削磨损微粒。这种情况下产生的磨屑粒度与污染颗粒度成正比，磨屑厚度可小到0.25，长度可达5。切削磨损微粒是非正常磨损微粒，它们的存在和数量多少要仔细监测。如果系统中大多数切削磨损微粒的长度为几微米，厚度小于1，可以判断润滑系统中有粒状污染物存在；如果系统中长度大于50的大切屑微粒快速增加，说明零件已损坏。图5.10 典型的细长切削磨损微粒4）滚动疲劳磨损微粒。挖掘机主轴承在超载、装配不好、油中有水进入时，将产生滚动疲劳磨损微粒。这种微粒通常产生于滚动轴承的疲劳过程中，它包括三种不同形态：疲劳剥离磨屑(见图5.11)。是在点蚀时从副表面以鳞片形式分离出的扁平微粒，表面光滑，有不规则的周边。磨屑的最大粒度可达100，其长轴尺寸与厚度之比约为10：1。如果系统中大于10的疲劳剥离微粒有明显的增加，这就是轴承失效的预兆，可对轴承的疲劳磨损进行初期预报；球状磨屑（见图5.12）。是在轴承疲劳裂纹中产生的。它的出现表示轴承已经出现故障，所以球状微粒是滚动轴承疲劳磨损的重要标志。一般来说，球状磨屑都比较小，大量的磨屑直径小于3，而其他原因例如液压系统中的气蚀、焊接和磨削加工中产生的球形金属微粒的直径往往大于10，两者粒度大小的差别可作为区分依据。 图5.11 滚动轴承疲劳碎片 图5.12 滚动疲劳磨损（滚动轴承）以上介绍的四种磨屑是钢铁磨损微粒的主要形式，其中后三种都与钢铁零件的失效相关联，通过对谱片上磨屑形状、大小的识别就可以了解到挖掘机主轴承的磨损原因和所处的状态。通常出现小于5 的细小片形磨屑表明主轴承处于正常状态，当大于5 的切削形、螺旋形、圈形和弯曲形微粒大量出现时，则是严重磨损的征兆。（2）有色金属磨屑的识别。在铁谱片上有色金属微粒不按磁场方向排列，以不规则方式沉淀，大多数偏离铁磁性微粒链，或处在相邻两链之间，它们的尺寸沿谱片的分布与铁磁性微粒有根本的区别。挖掘机主轴承的保持架为铜合金。铜合金有特殊的红黄色（见图5.13），因而易于识别。但注意与其他金属的回火色相混淆。例如钢铁微粒在磁力线上可与铜合金区分，其他金属如钛、巴氏合金等呈棕色，颜色不如铜合金均匀。 图5.13 铜合金磨损颗粒（3）铁的氧化物的识别。铁谱片上出现的红色氧化物，表明挖掘机主轴承润滑系统中有水分存在；如果铁谱片上出现黑色氧化物，说明挖掘机主轴承系统润滑不良，在磨屑生成过程中曾经有过高热阶段。1）铁的红色氧化物磨屑有两类：一类是多晶体，在白色反射光下呈桔黄色，在反射偏振光下呈饱和的桔红色。如果铁谱片上有大量此类磨屑存在（特别是大磨屑存在），说明油样中必定有水。另一类是扁平的滑动磨损微粒，在白色反射光下呈灰色，在白色透射光下呈无光的红棕色，因反光程度高，容易与金属磨屑混淆，如果仔细观察会发现，这种磨屑在双色照明下不如金属颗粒明亮，在断面薄处有透射光。铁谱片中有此类磨屑出现，说明挖掘机的主轴承润滑不良，应采取相应对策。2）铁的黑色氧化物微粒外缘为表面粗糙不平的堆积物，因含有FeO,FeO,FeO等混合物质，具有铁磁性，在铁谱片上以铁磁性微粒的方式沉积。当铁谱显微镜的分辨率接近下限时，有蓝色和桔黄色小斑点。铁谱片上存在大量黑色铁的氧化物微粒时，说明挖掘机的主轴承润滑严重不良。3）局部氧化了的铁性磨屑为深色金属氧化物，这些微粒是润滑不良的反映，说明在其生成过程中被过热氧化。大块的深色金属氧化物的出现，是零件毁灭性失效的征兆；而小量的较小的深色金属氧化物与正常磨损微粒一起沉淀时，还不是发生毁灭性失效的表征。（4）润滑剂的变质产物的识别。1）聚合物。挖掘机主轴承润滑剂在临界接触区受到较高的压力作用，其分子发生聚合反应而生成大块凝聚物。油样中存在聚合物的特征是细碎的金属磨损微粒嵌在无定形的透明或半透明的基体中，这种基体就是由上述凝聚物构成的。若油的使用合适，油中适当有一些聚合物可以防止胶合磨损；但过量的聚合物对挖掘机有害，它会使润滑油粘度增加，它可能迅速堵塞滤油器，使油从旁路流过，油中的污染颗粒和磨屑就会流到挖掘机的表面间，造成更大的磨损。在一种通常不产生聚合物的油样中见到聚合物，意味着已出现过载现象。2）润滑剂变质产生的腐蚀性磨屑是非常细小的微粒，沉积的部位是在铁谱片的出口处，其尺寸在亚微米级。3）污染颗粒包括新油中的污染、道路尘埃、煤尘、石棉屑、过滤器材料等，必要时可参考标准图谱识别。5.6.3主轴承磨损状态判据制定（1）定性判据总结大量现场铁谱监测数据发现：轴承正常时，绝大多数颗粒为正常磨损颗粒，尺寸20，最大可达200；疲劳磨损时，将产生大量疲劳颗粒及球形颗粒；油液污染将产生较多切削颗粒，油样中也可发现较多矸石、石英等硬质污染颗粒。若发现铜颗粒，应检查轴承保持架是否发生故障。（2）定量判据 总结发现，当磨损烈度I值400时，轴承处于失效前夕状态，需引起足够重视，并检查相关原因，采取相应措施。5.6.4挖掘机主轴承铁谱监测实例 通过铁谱分析挖掘机主轴承润滑系统油样，发现其I上升至550，20-80深色氧化物，中量；25-60切削颗粒为大量，对挖掘机主轴承状态发出警告信号。拆开检查发现，润滑油受到矸石、石英等颗粒污染，而且润滑系统中有水存在，导致润滑不良，应该采取相应措施，以免不必要意外事件发生，尽可能减少不必要的损失。5.7滑动轴承磨损状态铁谱分析主轴承磨损状态直接影响到挖掘机的正常运转，以往挖掘机广泛采用滑动轴承，严重滑动磨损故障较多。新的挖掘机以滚动轴承为主，疲劳磨损为其主要失效形式，目前两种轴承在挖掘机主轴上都有应用，分析其磨损状态，采取相应的措施，开展有效的故障诊断工作，确保安全生产，十分必要。虽然本次毕业设计选用的轴承为滚动轴承，但监测方法和滑动轴承类似，滑动轴承实验分析结果对滚动轴承会有很大的指导意义。铁谱仪依靠磁场力将铁磁性磨损颗粒沉积在玻璃基片上，制成谱片，但轴瓦表面多为巴氏合金非铁磁性材料，对这种轴瓦的铁谱分析，应在所取油样中加入磁化液，对巴氏合金颗粒进行磁化，其磁化原理为：磁化液中存在大量均匀分散于溶剂中的强磁性超微粒，这种磁化液能与所测润滑油很好地耦合，并能使其中的强磁微粒吸附于巴氏合金颗粒表面使巴氏合金颗粒“磁化”，当巴氏合金颗粒表面吸附足够的磁性微粒就可以在铁谱仪磁场力的作用下沉积下来进行分析。5.7.1磨损试验在M200磨损试验机上加装试件如图5.14所示。下试件直径40mm，厚10mm，材料45钢，转速200rmin。上试件材料：巴氏合金。图5.14 试块加装油样制取：下试件部分浸在20号机械油中，试件跑合后，每隔2h取一次样，前5个样加载5kg，随后载荷逐渐加大至100kg，具体见表5.1。表5.1 各油样所处的状态取样序号12345678910试件运转时间h8101214161820222426载荷kg55555103060100100取1-5号样时，试件运转平稳，系数小，磨损轻微，自取8号样时，试件系数增大，温升高，有噪声，运转不平稳，油的颜色变深，磨损量大。5.7.2铁谱实验分析（一）铁谱实验：由于巴氏合金较软，油样中以巴氏合金磨损颗粒为主，用以上各油样制谱时，在油样中加入等量磁化液充分摇匀后制做谱片，用光密度计测量谱片上磨损颗粒浓度，得到颗粒浓度随不同油样的变化规律如图5.15所示。图5.15 巴氏合金颗粒浓度变化曲线（二）实验结果分析：铁谱监测技术能灵敏反映试件磨损状态，磨损试验自5号样后，载荷加大，试件磨损逐渐加剧，自8号样后，温度升高，有噪声，磨损急剧上升，这在图5.15曲线上反应明显，表明试件磨损工况恶化，说明巴氏合金的磁化铁谱分析技术可有效监测轴承磨损状态。再次验证了挖掘机主轴承进行铁谱检测的必要性。6 铁谱制谱参数优化组合6.1前言铁谱技术是70年代初期出现的一种机械磨损检测方法。是以磨粒分析为基础的诊断技术，是诊断机械设备磨损状况与故障的一种有效的手段。它因具有直观性和机械副的磨损状况监测的高可靠性，而得到广泛的应用。可在不停机、不解体的情况下对机械设备进行磨损状态监测和故障诊断。它同时也是一门相对而言较为年轻的工况监测和故障诊断技术。就其本身来说，还有很多方面有待完善和提高。如磨粒在铁谱片上沉积时容易出现磨粒堆积现象；具有重要研究价值的大颗粒被甩掉，这些都影响磨粒的观察和分析，从而影响铁谱分析的真实性,导致对设备工况的错误判断。本次毕业设计对铁谱制谱参数进行优化组合试验，将对铁谱试验操作起到一定的指导作用。6.2试验原理和参数选择6.2.1试验参数选择影响铁谱片上磨粒沉积的因素较多，一般可分为内部因素和外部因素。如磨粒本身的尺寸、形状、密度和磁化率等因素为影响磨粒沉积的内部因素。而润滑油的粘度、密度和磁化率、铁谱仪的磁感应强度、滴液速度、铁谱基片的规格、油样体积以及旋转式铁谱仪磁台的速度(即制谱转速)等因素为影响磨粒沉积的外部因素。经验表明，润滑油油样的粘度稀释比、制谱转速、滴液速度是主要的影响因素。本文以旋转式铁谱仪为手段，考察润滑油油样的粘度、制谱转速、滴液速度3个因素对磨粒沉积状态的影响程度，探讨油样铁谱分析中磨粒沉积的最佳试验条件。从而进一步对铁谱制谱参数进行优化组合。在这些方面国内外已经公布了一些相对不太成熟的规程，但方案是否合理，参数是否最佳组合，暂时还没有见到正式试验报告相关文章，因此应进一步进行研究。查阅大量相关资料后获知，粘度因素、制谱转速和滴液速度之间有一定程度的影响，如润滑油粘度低（粘滞阻力小），转速就可以高一些；转速提高以后，滴液速度就可以相应提高一些。其中粘度稀释直接影响定性分析和定量测量的准确性，当样液粘度过大时，磨粒在磁性沉积过程中发生叠积现象，铁谱读数与实际磨粒浓度的关系在仪器整个量程区间是非线性的。在读数低的区段呈现出较好的线性关系，因此样液应具有较低的磨粒浓度，但不可过低，随机性很大，以免受铁谱仪本身的零点漂移和测量的偶然性误差影响。如何能够找出最佳制谱参数组合，本次实验运用常用的试验方法正交试验设计方法。 6.2.2正交试验原理正交试验设计方法，是研究与处理多因素实验的一种科学方法。就是利用数理统计学与正交性原理，从大量的试验点中挑选适量的具有代表性、典型性的点，应用“正交表”科学合理安排试验的一种科学的试验设计方法。根据正交实验法的原则，选择粘度因素、制谱转速和滴液速度等三个因素进行试验，并考察铁谱片上磨粒沉积的状况。本实验属于水平不同的正交试验设计方法。依据正交试验设计方法，共设计出二十五组试验组合。6.3试验过程6.3.1概述通过把油样制成谱片，我们可以利用铁谱显微镜等观测仪器分析谱片。因此，制谱的好坏直接影响对油样的分析结果，必须十分重视谱片的制作，制谱时小心仔细，而且按照制谱操作规范制作，从而保证制得的谱片能正确反映润滑油的真实情况。6.3.2试验仪器选择 制作谱片用到的主要仪器是铁谱仪，铁谱仪是实现铁谱技术的基本仪器，其具体工作原理及主要仪器类型已在前面章节有详细介绍,在此不再详述。综合比较以上四种铁谱仪器的优缺点及适用场合，结合本次毕业设计内容的针对性，考虑到我校试验条件的局限性，权衡之下本次实验选用中国矿业大学设备教研室研制的KTP-型旋转式铁谱仪（见图7.1）图7.1 KTP1型旋转式铁谱仪另外根据需要，还选用了PW/10-002台式保温培养箱，H66005超声清洗机。 在上述仪器中，旋转式铁谱仪为主要仪器，应对其了解。KTP型旋转式铁谱仪是一种新型的油液分析仪器。它利用高场强梯度的磁场，将润滑油或其它液体介质中的铁磁性和顺磁性磨粒沉积在谱片上，并使其按磁场力分布排列成铁谱图，在磨粒沉积过程中，含有磨损颗粒和其它杂质颗粒的润滑油或其它液态介质滴在随磁场一起旋转的谱片旋转中心，并与谱片一起旋转，此时铁磁性和顺磁性磨粒同时受到重力、离心力、磁场力和润滑油或其它液态介质内力的作用，在工作磁场区域内沉积成谱，其它杂质则在离心力的作用下被甩出谱片，基本消除了杂质颗粒沉积到谱片上的现象，大大减轻了其对定性铁谱观察和光密度计读数定量铁谱分析的干扰。因此，KTP型旋转式铁谱仪特别适用于被严重污染了的油液的定性定量铁谱分析。KTP型旋转式铁谱仪可用于：1.预报机械因磨损而产生的故障2.鉴定润滑油的使用性能，判断其使用是否合理3.自定新机器的跑合规范4.鉴定新机器的设计是否完善5.用于磨损机理的研究KTP型旋转式铁谱仪是区别于旋转颗粒沉积器和分析式铁谱仪的全新油液分析器，具有下述特点：1.特别适用于分析污染严重的油样2.采用了专门设计的极靴，使沉积在基片上的磨屑具有合适的离散程度 3.对该仪器所制谱片除可进行定性分析外还可通过光密度计对其作定量铁谱分析4.可检测的颗粒尺寸范围大、适用面广5.制谱速度快、费用低6.防止了制谱过程中磨粒受机械挤压使其保持原来形态7.方便的对中装置保证了油样滴在谱片中心，从而提高了所制谱片重现性。6.3.3试验具体操作步骤（一）油样处理油样瓶中的油样经存放后其中部分磨粒在重力作用下会沉降在油样瓶的底部或粘附在瓶壁上，再从油样中取出少量油样，进行铁谱分析应对油样进行处理:（1）在保温箱中先将油样加热至655C，保温30分钟。（2）把油样从保温箱中取出，然后用剧烈振荡或搅拌的方法，使磨粒均匀地悬浮于油中。（3）油样分析用量应根据油中磨粒的含量而定，以制出的谱片便于分析无堆积为准，对较为清洁的油样，可使用1ml以上的用量，对磨粒浓度较高的油样应用同种油稀释后取出1ml分析。（4）取出上述一定量的油样加入一清洁试管，然后加入适量的四氯乙烯以降低油样粘度，振荡至均匀。（二）谱片基片制作制作谱片需要洁净的玻璃基片，因此需要清洗玻璃基片，简单步骤如下：1.在超声波清洗机内用盐酸的稀溶液清洗玻璃基片2.把玻璃基片依次在蒸馏水、蒸馏水、无水乙醇、无水乙醇中清洗，然后晾干。洗净的玻璃基片应在干净处保存。（三）制作谱片步骤：（1）向固定基片的密封吸环内注入适量无水乙醇，放好基片，用谱片压块将之均匀地向下压一压，松开后基片吸附在密封吸环上。（2）装好漏斗，按下转速选择清洗档，用定量移液瓶向漏斗中输入1ml四氯乙烯。（3）按下转速选择制谱档，用定量移液管将制备好的油样缓慢注入漏斗中，速度可控制在每分钟1-2ml，然后用少量四氯乙烯清洗盛放油样的试管，同样注入漏斗中。（4）按下转速选择清洗档，用定量移液瓶以一定速度向漏斗中加入5-10ml四氯乙烯清洗基片。（5）按下转速选择甩干档，取下漏斗，直至谱片上面干燥即可关机，也可定时2分钟后自动停机。（6）小心垂直向上取下谱片。（7）把制好的谱片贴上标签，标明序号、油样，放入盒中保存待用。6.3.4相关信息（一）试验信息： 试验时间：2006.5.8-5.20 试验地点：中国矿业大学机电工程学院设备工程实验室同组试验人：孔祥波技术指导：程小行、高宏、李浩平三位老师（二）油样信息：取样地点：庞庄矿取样部位：2CST 油脂（美孚 424）取样人：徐峰取样时间：2005.9.16化验项目：铁谱分析6.3.5因素取值范围 （1）制谱转速因素：制谱转速包括成谱转速、清洗固定转速和甩干转速；经验表明：成谱转速对试验影响最大，清洗固定转速和甩干转速基本无太大影响，考虑到时间紧迫性，暂只将成谱转速列入影响因素，其中清洗固定转速选取经验推荐值150r/min,甩干转速选取经验推荐值200r/min。成谱转速过低，离心力太小，油样中的污染物不能被甩开，与所要观察的磨粒混杂在一起，影响判断；转速过高，离心力太大，导致具有研究价值的重要颗粒被甩掉，也会大大影响分析结果。通过试验前几次试做试验，转速两个极值选取在150r/min和20r/min附近时，观察的结果不好，转速太低颗粒有明显的堆积现象，转速太高，视场中大颗粒很少。另外铁谱仪器由于时间太久，转速计显示器早已损坏，且无法借到转速测量计，只能靠人工计时，必然存在一定转速读数误差，况且时间有限，考虑到实验数据的方便处理，转速选取值按10r/min依次递增，结合经验推荐值，从50r/min到90r/min依次组合试验。（2）粘度因素：上文已经提到，粘度过高，容易造成磨粒堆积，粘度过低，重要颗粒容易被甩掉，都会影响到试验分析的真实性。通过试验前几次试做试验，并结合经验推荐值，粘度选取值从3：1，2：1,1:1,1:2,到1:3依次组合试验。（3）滴液速度因素：由于滴液时使用的是人工滴液方法，即使用定量移液管输送到被固定在磁头上的端面的玻璃基片上，因此无法精确计量，只能大致凭感觉体验滴液速度的快慢，上文已经提到，滴液速度要与成谱转速相协调，结合试验前的几次试做试验，并结合经验推荐值1-2ml/min，滴液速度选取范围为0.5-2.5ml/min,依次组合试验。6.4定量定性铁谱分析 铁谱上沉积的磨粒带有材料表面磨损的信息，通过对磨粒的大小、浓度、形态和成分以及尺寸分布等分析，我们可知机械设备的磨损状况。因此，铁谱分析对于判断设备工况极其重要。6.4.1金相显微镜和光密度测量仪简介（一）金相显微镜用于观测和分析铁谱片的仪器应具有最大限度地获取有关谱片上磨粒各种信息的能力，铁谱显微镜是最基本最重要的一种仪器，具有如下一些特点：1.配有高放大倍数，高数值孔径的干物镜，显微镜最高的放大倍数不低于800X；2.装有反射光和透射光两个独立的光源，它们可以单独使用也可以同时使用。3.附有一个光密度计式的铁谱读数器，利用显微镜的光路，不用将铁谱片移离载物台即可完成磨粒浓度和尺寸分不的定量测量。本实验选用的是XJZ-6正置式金相显微镜(见图7.2)和GMJ-2光密度测量仪。图7.2 XJZ-6正置式金相显微镜XJZ-6正置式金相显微镜操作说明：1谱片的目视观察（1）选用所需物镜、目镜装在仪器上。（2）将载物片放在载物台的固定卡上内。（3）打开透、反射电源箱上的电源开关，接通电源，透反射灯室亮。（4）按需要分别将滤色片插入在透反射光路中。（5）拉动明暗场转换开关,使垂直照明器处于明场状态。（6）按XJZ6正置式金相显微镜说明书中“双目使用”方法调节双目镜筒。（7）按显微镜说明书中“粗微调使用”方法，获得最清晰的图像，并调节孔径光栏和视场光栏，以得到最满意的效果。2暗场照明暗场照明能增加物像衬度，提高物镜的分辨能力，有助于对某些谱片的观察。暗场照明时应将透射光源关闭，操作方法见显微镜说明书。3偏振光检测偏光主要是用来确定粒子材料，特别是氧化物、塑料和油中各种污染颗粒等。（1）发射偏振光使用反射偏光系统主要是观察不透明体，操作方法如下：关闭透射光源，按反射光照明使用方法调整。转动起偏镜手轮，使手轮的手柄方向与水平方向垂直，则起偏镜进入光路。将检偏镜插入检偏镜插槽，（先将插槽的挡盖取下），则检偏镜进入光路。转动检偏镜手轮，可使检偏镜作0360的调节，当视场最灰暗时，说明检偏镜与起偏镜已正交。移动载物台对谱片进行观察。（2）透视偏振光使用透射偏振光用来观察透明体，操作方法：关闭反射光源，按透射光照明进行观测调试。将起偏镜片盖在底座的透射出光孔上。将检偏镜插入检偏镜插槽中。与反射偏光使用相同。（二）光密度测量仪利用光密度测量仪测出谱片上内、外圈的粒子覆盖面积百分比，并用下式计算磨损严重度指数： I=D(D+D)式中：D谱片内圈的大粒子遮光率数值，通常是以内圈圆周上四点读数算术平均值为计算值。 D、D谱片中圈和外圈的粒子遮光率读数值，亦是圆周上均分四点读数的算术平均值为计算值。具体操作方法如下：（1）接通光密度测量仪的电源，预热5分钟以上。（2）将光密度测量仪的测头装到显微镜照相机接筒上，并将测头的接线插头插入光密度测量仪后盖板的插座上。（3）关闭反射光源，开启透射光源，将光源电压预调到4伏左右。（4）在透射灯室前加毛滤光片，用25X或40X物镜观察谱片，按透射光系统进行调试观测。（5）扳转聚光镜组上的孔径光栏调节扳手（见显微镜图），将孔径光栏调至最小。（6）光路调好后，把视场移至谱片上没有磨损颗粒的干净处。（7）将双目镜筒上的操纵杆推入，使光线不进入测头。（8）调节光密度测量仪面板上的“调壹”旋钮，使数字显示屏上的数字为1.000（0.002）。（9）将双目筒上的操纵杆拉出，使光线进入测头。（10）调节光密度测量仪面板上的“调零”旋钮，使数字显示屏上的数字为0.000（0.004）。（11）将无色的滤光片盖在底座的透射光出光孔上，其遮光率为0.500。（12）调节透射光源的电压调节旋钮，使数字显示屏上的数字为0.500（0.004）。（13）拿出无色的滤光片，若数字显示屏上的数字为0.000，则继续调整“调零”旋钮，使之为0.000。（14）重复（11）、（12）、（13）使光密度测量仪同时满足和的要求，仪器校准完毕。（15）调节载物台的纵向移动手轮和横向移动手轮，即可测定谱片上内、中、外圈微粒的遮光率数值，并可借助载物台的刻度尺作重复测度。6.4.2试验结果本实验所分析油样为小于20的正常滑动磨损颗粒，原则上应该读取内圈、中圈和外圈磨粒的遮光率，但考虑到所分析油样的大颗粒几乎都沉积在内圈，本实验以大颗粒的含量作为本实验的质量指标，只记录内圈遮光率值，选取内圈四个读数最大值的点，再取平均值。试验记录见表7.1。表7.1 正交试验记录表格谱片编号粘度成谱转速(r/min)滴 液速 度(ml/min)内 圈 读数值 D内 圈 平均 值 013:1500.519.8518.9518.0516.2421.65022:1501.022.1120.9819.8522.5619.40031:1501.525.7123.9122.5622.1125.26041:2502.028.4226.1025.7123.0129.32051:3502.528.8727.5226.1726.6228.42063:1601.032.8232.2431.6734.5429.94072:1601.523.8923.8923.0325.3323.31081:1602.031.9526.1921.8828.7922.17091:2602.525.0428.3531.6729.9426.77101:3600.524.4721.5918.7121.8821.30113:1701.529.9629.22 28.4827.7530.69122:1702.028.7331.9235.6030.9432.41131:1702.536.3434.8733.3931.1838.55141:2700.534.6233.2731.9231.5534.99151:3701.032.6632.4132.1734.3830.45163:1802.028.0027.0026.0025.6028.40172:1802.522.8022.4022.0024.6020.20181:1800.527.6025.8023.0027.6025.00191:2801.022.8022.6022.0021.8023.80201:3801.522.0019.4018.6019.6017.40213:1902.528.1327.6427.1525.5229.77222:1900.527.8124.5321.2623.8825.19231:1901.019.6319.3018.9723.8814.72241:2901.518.9717.8316.6816.0319.63251:3902.017.6614.7211.7813.0816.36K135.05117.46129.14总 和637.63K123.72137.26127.53K130.07161.69114.25K128.15117.20125.93K120.64104.02140.78k27.0123.4925.83总平均25.51k24.7427.4525.51k26.0132.3422.85k25.6323.4425.19k24.0820.8028.16R2.9311.545.316.4.3试验数据处理为了便于直观分析，还可以做出因子水平与k值的关系图。如图7.3所示： 图7.3 因子水平与k值的关系图从上面的计算和作图，我们对试验结果，做如下分析：1.因子与指标的变化规律。从k, k, k, k, k值和图7.3都可以看到：转速从50r/min到90r/min，质量指标是先上升再下降； 粘度稀释比从3：1到1:3, 质量指标是先下降后提高再下降下来；滴液速度从0.5ml/min到2.5ml/min,质量指标是先下降再上升。2.因子影响指标的主次顺序。从极差R来看，因为R（第2列）=11.54 R(第3 列)= 5.31 R（第1列）=2.93 ，又由于极差大小反映了因子影响指标的主次，所以第二列极差最大说明制谱转速是主要因素，主要顺序是： 3.选定最优方案。从图可以看出各个因子中哪个水平的平均指标最高。结果是：制谱转速是以70r/min平均指标最高；粘度稀释比是以3:1平均指标最高；滴液速度是以2.5ml/min平均质量指标最高。因而选出的最佳方案是制谱转速70r/min, 粘度稀释比3:1, 滴液速度2.5ml/min。至此，利用正交表直观的分析实验结果，已经完成。但试验的目的还没完全达到。到底是正交表7.1中的第13号试验好，还是分析后所得出的方案好，还要再做实验进行比较。最后根据分析的结果，再用制谱转速70r/min, 粘度稀释比3:1, 滴液速度2.0ml/min的组合进行制谱，所得的内圈的读数是36.10，最后确定该组合是最佳方案：制谱转速70r/min, 粘度稀释比3:1, 滴液速度2.0ml/min。 6.5结论分析（1）需要说明的是，本次试验采用的仪器时间久远，精度下降，尤其是KTP-1型铁谱仪转速计损坏，只能靠人工计算，而成谱转速因素正是本次试验所需考虑的，铁谱显微镜上的标准滤光片也已模糊，光密度计也有部分功能损坏，这些都对试验数据的准确读取，造成一定的影响，误差的存在在所难免，因此测得的试验数据只能代表相对值，所得出的最佳试验优化组合方案仅为相对最佳组合，结论仅供参考。（2）通过铁谱试验，找到了在所考察的影响铁谱磨粒沉积状态的3个主要因素中，影响程度由大到小依次为成谱转速、滴液速度、粘度比；清洗固定转速和甩干转速影响很小。（3）实践表明，选择粘度比为3：1，成谱转速选择70r/min,清洗固定转速和甩干转速选取经验推荐值150r/min和200r/min,滴液速度选择2.0ml/min时，制取的谱片光密度最大，且克服了磨粒重叠现象和重要大颗粒被甩掉的象。结 论土豆挖掘机的设计是矿井运输中的咽喉设备，是挖掘机械的重要组成部分之一，是沟通矿井上下的纽带。因此占有特殊的地位，它的运行状态好坏对挖掘安全生产起着重要的作用。实践表明，因挖掘设备故障造成生产损失的情况时有发生。因此，作为预防措施对其故障进行诊断是十分必要的。而主轴承磨损状态直接影响到挖掘机的正常运转，以往挖掘机广泛采用滑动轴承，严重滑动磨损故障较多。新的挖掘机以滚动轴承为主，疲劳磨损为其主要失效形式，目前两种轴承在挖掘机主轴上都有应用，分析其磨损状态，采取相应的措施，开展有效的故障诊断及状态监测维修工作，确保安全生产，十分必要。本次毕业设计对挖掘设备进行了选型设计，确定了工作参数，分析了挖掘机的常见故障，分析了挖掘机的主轴承润滑及磨损状态，发现开展状态监测维修工作很有意义，并制定了主轴承状态判据。 对挖掘机的振动、温度、油阻尼、油液监测方法提出比较和论证，得出铁谱为其状态监测首选方法。对几种常见铁谱仪器进行比较，从而选择我校研制的KTP-1型旋转式铁谱仪进行试验，对挖掘机的主轴承的铁谱分析方法的全过程进行了详细的论证。特别是铁谱制谱优化试验，在查阅国内外大量相关资料后，借鉴经验推荐值，对影响铁谱沉积状态的几个主要因素，依照正交分析实验方法，进行了优化组合试验，优化表明，要使铁谱沉积状态最好，优先选用最佳组合（粘度稀释比3：1，成谱转速70r/min,滴液速度2.0ml/min），因此，对现场挖掘机主轴承进行铁谱监测方面有一定的参考价值。由于设计时间所限，试验设备年代久远，难免会有误差存在，设计成果仅供现场参考。 参考文献1 李国华，张永忠.机械故障诊断，北京：化学工业出版社，2004,134-1542 萧汉良.铁谱技术及其在机器监测诊断中的应用，北京：人民交通出版社，1993,63-803 徐扬光.设备工程与管理，上海：华东理工大学出版社，1992，331-3584 李仪钰.矿山挖掘运输机械，北京：冶金工业出版社，1989，128-1455 杨坚，戴述骝.矿井挖掘运输选型设计，西安，西安矿业学院出版社，1981，84-1046 陈湘楚.矿井挖掘机维护与检修，北京：煤炭工业出版社，1988，52-807 牛树仁，陈滋平. 挖掘固定机械及运输设备, 北京：煤炭工业出版社，1988，63-658 黄献珊. 建井挖掘运输设备, 北京：煤炭工业出版社，1987，72-749 挖掘设计情报中心站, 引进设备多绳挖掘机选型计算汇编,1984，18-2510 程居山, 王昌田, 李新平等. 矿山机械，徐州：中国矿业大学出版社，1997，32-3611 孙庆超. 矿井设备故障与技术决策, 北京：煤炭工业出版社，1994，52-5412 陈维健. 矿山运输与挖掘设备, 北京：煤炭工业出版社，1997，65-6913 肖兴明. 挖掘重大故障分析及预防, 徐州：中国矿业大学出版社，1994，40-4414 代科学,李国辉,万欲容.状态维修理论、技术与实施,设备管理，2005年第1期：101-10315 陈胜利，王进都.电机设备的状态检修,内蒙古电力技术, 2004年第22卷第5期：27-2816 刘计辉.设备状态监测和诊断技术的现状与发展动向，青海电力，2000年第2期：5117 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T.J.New South African Drum Hoisting Plants. CIM Bulletin, 199424 YANG Qi-ming.Wear Particle Analysis-Wear Particle Atlas and the Ferrography,200225 Brown C A, Charles P D. Fractal Analysis of topographic data by the patch work method . Wear,1993.26 SPARG E,N.Developments in Hoist Design Technology Applied to a 4000 m Deep Shaft. Mining Technology, 1995.27 SYKES, D.G., WIDLAKE, A.C.Reducing Rope Factors of Safety for Winding in Deep Levels Shafts. International Deep Mining Conference. Technical Challenges in Deep Level Mining. Johannesburg, SAIMM, 1990 28 HECKER, G.F.K.The Safety of Hoisting Ropes in Deep Mine Shafts. International Deep Mining Conference: Technical Challenges in Deep Level Mining. Johannesburg, SAIMM, 1990 29 HECKER, G.F.K.The Safety of Hoisting Ropes in Deep Mine Shafts. International Deep Mining Conference: Technical Challenges in Deep Level Mining. Johannesburg, SAIMM, 1990 30 CARBOGNO, A.Winding Ropes of Uniform Strength. 1st International Conference LOADO ，2001.外文翻译英文原文Mine hoisting in deep shafts in the 1st half of 21st Century Alfred Carbogno 1 Key words: deep shaft, mine hosting, Blair winder, rope safety factor, drum sizing, skip factor Introduction The mineral deposits are exploited on deeper and deeper levels. In connection with this, definitions like “deep level” and “deep shaft” became more and more popular. These definitions concern the depth where special rules regarding an excavation driving, exploitation, rock pressure control, lining construction, ventilation, underground and vertical transport, work organization and economics apply. It has pointed out that the “deep level” is a very relative definition and should be used only with a reference to particular hydro-geological, mining and technical conditions in a mine or coal-field. It should be also strictly defined what area of “deep level” or “deep shaft” definitions are considered. It can be for example: - mining geo-engineering, - technology of excavation driving, - ventilation (temperature). It is obvious that the “deep level” defined from one point of view, not necessarily means a “deep level” in another area. According to 5 as a deep mine we can treat each mine if: - the depth is higher than 2300 m or - mineral deposit temperature is higher than 38 C. It is well known that the most of deep mines are in South Africa. Usually, they are gold or diamonds mines. Economic deposits of gold-bearing ore are known to exist at depths up to 5000 m in a number of South Africa regions. However, due to the depth and structure of the reef in some areas, previous methods of reaching deeper reefs using sub-vertical shaft systems would not be economically viable. Thus, the local mining industry is actively investigating new techniques for a single-lift shaft up to 3500 m deep in the near future and probably around 5000 m afterwards. When compared with the maximum length of wind currently in operation of 2500 m, it is apparent that some significant innovations will be required. The most important matter in the deep mine is the vertical transport and the mine hoisting used in the shaft. From the literature 1-12 results that B.M.R. (Blair Multi-Rope) hoist is preferred to be used in deep mines in South Africa. From the economic point of view, the most important factors are: - construction and parameters of winding ropes (safety factor, mainly), - mine hoisting drums capacity, This article of informative character presents shortly above-mentioned problems based on the literature data 1-12. Especially, the paper written by M.E. Greenway is very interesting 3. From two transport systems used in the deep shaft, sub-vertical and the single-lift shaft systems, the second one is currently preferred. (Fig.1.) 6 Hoisting Installation The friction hoist (up to 2100 m), single drum and the double drum (classic and Blair type double drum) hoist are used in deep shafts in South Africa. Drum winders Drum winders are most widely used in South Africa and probably in the world. Three types of winders fall into this category - Single drum winders, - Double drum winders, - Blair multi-rope winders (BMR). Double drum winders Two drums are used on a single shaft, with the ropes coiled in opposite directions with the conveyances balancing each other. One or both drums are clutched to the shaft enabling the relative shaft position of the conveyances to be changed and permitting the balanced hoisting from multiple levels The Blair Multi-Rope System (BMR) In 1957 Robert Blair introduced a system whereby the advantage of the drum winder could be extended to two or more ropes. The two-rope system developed incorporated a two-compartment drum with a rope per compartment and two ropes attached to a single conveyance. He also developed a rope tension-compensating pulley to be attached to the conveyance. The Department of Mines allowed the statutory factor of safety for hoisting minerals to be 4,275 instead of 4,5 provided the capacity factor in either rope did not fall below the statutory factor of 9. This necessitated the use of some form of compensation to ensure an equitable distribution of load between the two ropes. Because the pulley compensation is limited, Blair also developed a device to detect the miscalling on the drum, as this could cause the ropes to move at different speeds and so affect their load sharing capability. Fig.2 shows the depth payload characteristics of double drum, BMR and Koepe winders. The B.M.R. hoist is used almost exclusively in South Africa, probably because they were invented there, particularly for the deep shaft use. There is one installation in England. Because of this hoists physical characteristics, and South African mining rules favouring it in one respect, they are used mostly for the deep shaft mineral hoisting. The drum diameters are smaller than that of an equivalent conventional hoist, so one advantage is that they are more easily taken underground for sub-shaft installations. A Blair hoist is essentially a conventional hoist with wider drums, each drum having a centre flange that enables it to coil two ropes attached to a skip via two headsheaves. The skip connection has a balance wheel, similar to a large multi-groove V-belt sheave, to allow moderate rope length changes during winding. The sheaves can raise or lower to equalize rope tensions. The Blair hoists physical advantage is that the drum diameter can be smaller than usual and, with two ropes to handle the load, each rope can be much smaller. The government mining regulations permit a 5 % lower safety factor at the sheave for mineral hoisting with Blair hoists. This came about from a demonstration by the% permits the Blair hoists to go a little deeper than the other do. On the other hand, the mining regulations require a detaching hook above the cage for man hoisting. The balance wheel does not suit detaching hooks, so a rope-cutting device was invented to cut the ropes off for a severe overwind. This was tested successfully but the Blair is not used for man winding on a regular basis. The B.M.R. hoist has been built in three general styles similar to conventional hoists. The three styles are (Fig. 3 and 4): The gearless B.M.R. hoist at East Dreifontein looks similar to an in-line hoist except that the drums are joined mechanically and they are a little out of line with each other. This is because each drum directly faces its own sheaves for the best fleet angle. The two hoist motors are fed via thyristor rectifier/inverter units from a common 6.6-KV busbar. The motors are thus coupled electrically so that the skips in the shaft run in balance, similar to a conventional double-drum hoist. Each motor alternates its action as a DC generator or DC motor, either feeding in or taking out energy from the system. The gearless Blair can be recognized by the offset drums and the four brake units. A second brake is always a requirement, each drum must have two brakes, because the two drums have no mechanical connection to each other. Most recent large B.M.R. hoists are 4.27 or 4.57 m in diameter, with 44.5 47.6 mm ropes 1. In arriving at a drum size the following parameters have been used: - The rope to be coiled in four layers, - The rope tread pressure at the maximum static tension to be less than 3,2 MPa, - The drum to rope diameter ratio (D/d) to be greater than 127 to allow for a rope speed of 20 m/s. With the above and a need to limit the axial length of the drums, a rope compartment of 8,5 m diameter by 2,8 m wide, was chosen. The use of 5 layers of coiled rope could reduce the rope compartment width to 2,15 m but this option has been discarded at this stage because of possible detrimental effects on the rope life. One problem often associated with twin rope drum hoists is the rope fleeting angle. The axial length of the twin rope compartment drums requires wide centres for the headgear sheaves and conveyances in the shaft. To limit the diameter of the shaft, the arrangement illustrated in Fig. 4 has been developed and used on a hoist still to be installed. Here, an universal coupling or Hookes Joint has been placed between the two drums to allow the drums to be inclined towards the shaft center and so alleviate rope fleeting angle problem, even with sheave wheels at closer centres 11. The rope safety factor The graphs in Fig. 5 illustrate the endload advantage with reducing static rope safety factors. While serving their purpose very well over the years, the static safety factor itself must now be questioned. Static safety factors, while specifically relating to the static load in the rope were in fact established to take account of: a. Dynamic rope loads applied during the normal winding cycle, particularly during loading, pull-away, acceleration, retardation and stopping, b. Dynamic rope loads during emergency braking, c. Rope deterioration in service particularly where this is of an unexpected or unforeseen nature. If peak loads on the rope can be reduced so that the peak remains equal to or less than that experienced by the rope when using current hoisting practices with normal static rope safety factor, the use of a reduced static rope safety factor can be justified. The true rope safety factor is not reduced at all. This is particularly of importance during emergency braking which normally imposes the highest dynamic load on the rope. Generally, the dynamic loads imposed during the skip loading, cyclic speed changes and tipping will be lower than for emergency braking but their reduction will of course improve the rope life at the reduced static rope safety factor. The means, justification and safeguards associated with a reduced static safety factor are discussed in 4,7,9,12. Based on the static rope safety factor of 4, the rope endload of 12843 kg per rope can be achieved. With twin ropes, this amounts to an endload of 25686 kg. With a conveyance based on 40 % of payload of 18347 kg with a conveyance of 7339 kg. There are hoisting ropes of steel wires strength up to Rm = 2300 MPa (Rm up to 2600 MPa 6 is foreseen) used in deep shafts. There are also uniform strength hoisting ropes projected 2,8. Conveyances The winding machines made from a light alloy are used in hoisting installations in deep shafts. The skip factor (S) has been defined as the ratio of empty mass of the skip (including ancillary equipment such as rope attachments, guide rollers, etc) to the payload mass. If the rope end load is kept constant, a lower skip factor implies a larger payload in other words, a more efficient skip from a functional point of view. However, the higher the payload for the same rope end load, the larger the out-of-balance load implying a more winder power going hand in hand with the higher hoisting capacity. If, on the other hand, the payload is fixed, a lower skip factor implies a lower end load and a smaller rope-breaking load requirement. Under these conditions, an out-of-balance load attributable to the payload would remain the same, but that due to the rope would reduce slightly. The sensitivity of depth of wind and hoisting capacity to skip the factor is illustrated in Fig. 6 and 7. A reduction of skip factor from 0,5 to 0,4 results in a depth gain of about 40 m for Blair winders and 50 m for single-rope winders. The increase of hoisting capacity for a reduction of skip factor by about 0,1 is about 10 %. Typical values for the “skip factor” are about 0,6 for skips and about 0,75 for cages for men and material hoisting. Reducing skip factors to say about 0,5 is a tough design brief and the trade-offs between lightweight skips and maintainability and reliability soon become evident in service. The weight can be readily reduced by omitting (or reducing in thickness) skip liner plates but this could reduce skip life by wear of structural plate leading to the high maintenance cost or more frequent maintenance to replace thinner liner plates. Similarly, if the structural mass is saved by reducing section sizes or changing the material from steel to aluminium for example, the structural reliability is generally reduced and the fatigue cracking becomes more efficient. Some success has been achieved in operating large capacity all aluminium skips with low skip factors but the capital cost is high and a very real hoisting capacity constrain must exist before the additional cost is warranted. It would appear that the depth and hoisting capacity improvements are better made by reducing the rope factor of safety and increasing the winding speed. The philosophy of the skip design should be to provide robust skips with reasonable skip factors in the range of 0,5 to 0,6 that can be hoisted safely and reliably at high speeds and that are tolerant to the shaft guide misalignment. It should be noted that some unconventional skips have been proposed (but not yet built and tested) that could offer skip factors as low as 0,35. Conclusions The first installation of Blaire hoists took place in 1958. From that time we can observe a continuous development of this double-rope, double-drum hoists. Currently, they are used up to the depth of 3 150 m (man/material hoist at the Moab Khotsong Mine, to hoist 13 500 kg in a single lift, at 19,2 m/sec, using 2 x 7400 kW AC cyclo-convertor fed induction motors). The Blair Multi-Rope system can be use either during shaft sinkin