（机械设计及理论专业论文）矿井提升机制动系统远程监测与诊断试验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 矿并提升机制动系统远程监测与诊断试验研究 摘要 提升机制动系统的好坏直接关系到提升机运行的安全性 和可靠性。如果某提升设备在工作过程中出现故障，而提升 机又未能及时进行制动并且排除，其结果不仅有可能会导致 设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果。由此可 见，对提升机制动系统进行实时的工况监测、诊断和维护具 有重大意义。 鉴于目前提升机制动系统在线监测与诊断方法存在的问 题，本文在2 j t p 1 2 型提升机试验台上，利用k i n g v i e w 、v b 、 a c c e s s 、f r o n t p a g e 2 0 0 3 等软件设计开发出了一套提升机制动 系统远程监测与诊断系统。实现了对提升机制动系统的实时 监测与诊断、运行状况的模拟；并进行了相关的试验研究。 理论与试验研究结果表明：本课题开发的提升机制动系统远 程监测与诊断系统能够对制动系统实时的在线监测、动态显 示、曲线绘制、报表打印、自诊断与报警、还能够对复杂故 障进行远程诊断等功能。 关键词：矿井提升机，制动系统，远程监测，故障诊断 太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r i ，：n t a ls t u d i e so nr e m o t e m o n i t o ra n dd i a g n o s eo fb r a k i n gs y s t e m i nt h em n 町eh o i s t a b s t r a c t t h e s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fm i n eh o i s t h a v ec l o s e d r e l a t i o nw i t hi t sb r a k i n gs y s t e m i fi t sf a i l e dt ob r a k ea n dc l e a r t h ef a u l t se x i s t i n gi nt h ew o r k i n gp r o c e s s ，e q u i p m e n t sw i l lb e d a m a g e d ，e v e nm a k ed e a t h t h e r e f o r e ，i t si m p o r t a n tt om a k er e a l t i m em o n i t o r , d i a g n o s ea n dm a i n t e n a n c eo ft h eb r a k i n gs y s t e mi n h o i s t o nt h e2 j t p 一1 2h o i s te x p e r i m e n t a lb e n c h ，a n dt a k et h e p r o b l e m se x i s t i n gi nm o n i t o ra n dd i a g n o s ep r o c e s sw i t hh o i s t b r a k i n gs y s t e mi n t oa c c o u n t ，ar e m o t em o n i t o ra n dd i a g n o s e s y s t e mf o rt h eh o i s tb r a k i n gs y s t e mi sd e v e l o p e dw h i c hm a k eu s e o fs o f t w a r es u c ha sk i n g v i e w , v b ，a c c e s s ，f r o n t p a g e 2 0 0 3e r e s o m ef u n c t i o n sa r ep r a c t i c e ds u c ha sr e a lt i m em o n i t o r i n ga n d d i a g n o s e ，s i m u l a t i o no fw o r k i n gs i t u a t i o no f t h eb r a k i n gs y s t e m ， a n ds o m er e l a t e de x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u ti n t h ep r o c e s s t h er e s u l ts h o w st h a tt h es o f t w a r ec a nd ow e l li n o n l i n e - m o n i t o r i n g ，d y n a m i cp i c t u r ea n dt r e n dc u r v ed r a w i n g ， r e p o r tf o r m sp r i n t i n g ，f a u l td i a g n o s i sa n da l a r me t c 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：m i n e h o i s t ，b r a k e - s y s t e m ，t e l e m o n i t o r i n g ，f a u l t d i a g n o s e 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 矿井提升机是矿井大型固定设备之一，是煤炭生产运输的主要工 具，它担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是 联系井上与井下的唯一途径，素有矿井“咽喉”之称。提升机运行的安 全可靠性不仅影响到矿山的经济效益，而且更重要的是涉及到井下工作 的矿工生命安全。 提升机制动系统的好坏则是直接关系到提升机运行的安全性和可 靠性。如果某提升机设备在工作过程中出现故障，而又未能及时进行制 动并且排除故障，其结果不仅有可能会导致设备本身损坏，甚至可能造 成机毁入亡的严重后果。据统计分析，因制动系统故障而造成的事故，约 占整个提升事故的6 0 以上“1 。至今为止我国煤矿由于提升机制动系统 故障而发生重大事故的例子很多。如：淮北矿务局相城煤矿主斜井提升 机就因安全制动力矩过大，多次发生紧急制动断绳事故；石台煤矿主井 提升机闸盘油污过多，制动力矩过小，导致重载箕斗坠入井底，造成了 巨大的经济损失和人员伤亡0 1 。 历年来各国对矿井提升机的安全问题极为重视，对矿井提升设备的 安全性提出了极严格的要求。煤矿安全规程和煤矿机电设备完好 标准对此都做出了明确规定，要求对运转使用的提升机定期进行技术 测试。目前，大部分矿山企业对矿井提升机采用预防维修的方法。但是， 由于预防维修是按预定的时间间隔来进行的，故障的随机性和维修时间 的确定性之间存在着矛盾，在实际工作中很容易出现设备尚好检修期已 太原理工大学硕士研究生学位论文 到的“过剩维修”、设备有隐患但检修期未到的“欠修”，还有不少故障 不可能通过细而密的定期维修得到解决，相反会因频繁的拆装出现更多 故障。设备的可靠性不可能通过维修得到改善，分解检查不可能鉴定运 行中内部零件可靠性下降程度。复杂设备的偶然故障是不可避免的，所 以计划预防维修制度已不适应当今生产发展的需要。要解决上述问题， 更有效地对设备进行维修，最合理的方法是根据设备运行状态的好坏来 安排检修工作，这种方法称为预知维修。而要真正做好预知维修，必须建 立矿井提升机的实时监测和诊断系统。 通用工业监控组态软件的出现为这一想法的实现提供了一种崭新 的工具，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使 用户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，完成最终的工程。为 了能实时显示和监测现场设备的运行状况，方便地修改画面、参数和所 监控的对象，现场监控计算机一般都采用工业组态软件，以期获得最大 的灵活性，满足现场工作的需要。同时利用组态软件的网络功能实现设 备的远程监控与诊断。由此可见，研制这样的一套系统具有很大的经济 效益和社会效益。其具体表现为： 第一，系统可以对现场进行实时的监测与诊断，一旦现场出现故障 或有出现故障的迹象系统马上会有报警等提示，这样可以避免或减少整 套设备突发性恶劣事故的发生。 第二，系统可以及时向操作人员提供设备的工作状况，从而提高设 备使用的合理性，充分挖掘设备潜力，延长设备的使用时间。 第三，如果设备发生故障，系统在最短的时间内将会识别当前的故 障种类和程度，及时提示操作人员当前提升机的运行状态。同时系统将 会给出处理意见，供维修人员进行参考，避免维修的盲目性。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四，研制出这样的系统后，可以根据设备的运行状态来决定设备 是否需要维修。这样既可以减少过剩维修，也可以防止因不足维修而发 生的事故，并能科学地安排维修计划，有效地提高设备的综合经济效益。 第五，可利用诊断协作网对企业技术人员进行培训，提高其理论水 平，同时在远程诊断中，企业可申请协作网专家在异地对设备故障进行 会诊，提高诊断的准确性和可靠性；远程故障诊断尤其能在设备维修方 面切实加强科研院所和生产企业的技术合作。 第六，可大范围共享诊断资源，形成丰富的诊断数据库和诊断知识 库；网络能适应新技术的发展而扩充或升级，只需更新相应设备或将相 应设备“挂”在网上即可，操作简单方便，扩展灵活。 由此可见，本课题的研究，将对提升机制动系统的管理、使用及维 修都具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 远程监测与诊断研究现状3 卜5 1 远程监测与诊断技术是计算机技术、网络技术和监控技术的有机结 合，它最早来用于医疗系统中的远程诊断系统。目前，该技术在医疗系 统中发展较为完善，但在机械行业中，发展的步伐相对缓慢。 对于远程监测与诊断技术，国内外已展开了积极的研究。国外，著 名的n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司就在他的产品l a b v i e w 中加入 了网络通信处理模块，因而可以在基于网络范围内进行监控数字的传 送。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 范围内的远程监控诊断工作会 议由斯坦福大学和麻省理工大学联合主办，这次会议得到了制造业、计 算机业、网络业和仪表业等许多大公司的热情支持，例如：f o r d 、s u n 、 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 h p 、b o e i n g 等。之后由这些公司协同合作共同推出一个实验性的系 统t e s t b e n d 。t e s t b e n d 可以初步实现在i n t e r n e t 范围内的信息 监控和故障会诊，但与最初的设计目标相差甚远，所以目前只是起到一 种研究作用。另外，还有许多著名的国际组织m i m o s a ( m a c h i n e r y i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e ) 、m f i p ( s o c i e t yf o r m a c h i n e r y f a i l u r e p r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e m ) 等，也展开了对远程监控技术的 研究，并提出了一定的信息交换和数据处理标准。 国内对于远程监控技术也开展了积极研究。目前，西安交通大学、 哈尔滨工业大学、华中理工大学、上海交通大学、合肥工业大学等的研 究水平较为先进。这些大学都相继建立了宣传远程监测与诊断技术的站 点。例如由西安交通大学联合其他几所高校共同创建的c e r n e t ( c h i n am o d e md e s i g nn e t w o r k s ) 、合肥工业大学的全球范围内的智能网 络数控系统( 矾e c n c ) 等。 1 2 2 工业监控组态软件研究现状6 卜3 1 随着组态软件技术的完善，国内外已经推出了不少相应的产品，有 的是随着集散系统一起推出作为专用配套软件的，有的是通用软件。如 美国i n t e l l u t i o n 的f i x 和i f i x 、w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 等，这 些产品在国内都得到了不同程度的应用。同国外相比，国内组态软件的 研制则起步较晚，但近年来也得到了较快的发展，许多公司都推出了自 己的产品，现在有一定影响力的产品有：亚控公司的“组态王”，昆仑通 态的m c g s ，三维力控f o r c e c o n t r o l ，世纪佳诺的“世纪星”等。 从整体上看，国外组态软件发展得较为成熟，软件的功能强大，性 能可靠，尽管这些组态软件有着极大的生命力和众多的优越性，但从我 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 国的国情来看，还存在着一些不足之处。主要有：价格昂贵，许 多中、小型用户无法承担；系统复杂，大多数企业缺乏设计、安装、 调试、运行和管理的经验；国外有些产品不支持汉字功能，给系统的组 态、整定、修改和维护带来不便。 1 2 3 提升机制动系统研究现状9 卜1 1 1 国内目前应用较多的是油压块闸制动系统和油压盘式闸制动系统， 液压站大都采用十字弹簧控制的喷嘴挡板式溢流阀作为液压系统的主 控元件，这种阀抗污染能力比较差，阀口容易堵塞，而且阀的体积比较 大，动作响应比较慢，因此，其故障模式往往表现为工作制动时调压稳 定性不够和残压过高等，过高的残压会造成制动力矩不足。为了提高正 常工作制动的可靠性，目前许多矿井提升机的液压系统把原来十字弹簧 控制的喷嘴挡板式调压装置改成电液比例溢流阀调压装置，这种装置具 有调压稳定、线性度好、跟随能力强、动态性能优良和尺寸小等特点。 目前，国内生产的提升机的安全制动装置几乎都采用恒定力矩的原 理( 不控) 设计的，就是说，不论每个提升的载荷方向、大小，也不论提 升容器在井筒中的位置如何，只要在安全制动时，闸对滚筒所施加的力 矩是恒定的。这种恒力矩制动装置存在的缺点是： 1 、对于提升载荷的大小和方向经常变动的提升系统，安全制动减 速度可能在一个很大的范围内变动，甚至超过煤矿安全规程规定的 界限： 2 、对摩擦提升机来说，当载荷较大且提升高度较小时，发生安全 制动容易引起钢丝绳滑动。为了改善防滑性能，常需要增加容器的配重， 导致设备和运行费用增加； 3 、对于安全制动力矩受到诸多难以人为控制因素的影响，安全制 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 动力矩实际上不能保证整定值，而是以一定的幅度上下变动，给安全提 升埋下了隐患。 由于采用恒力矩控制存在很大的隐患，国外各大电气制造厂商如 s i e m e n s 、a b b 、g h h 、s i e m a g 、a e g h 等都纷纷投入技术和资金， 于7 0 年代末就己开发出模拟量控制的减速度可控安全制动系统，并有 成型产品，国内提升机也有采用。随着技术的进步，9 0 年代初，国外 又采用了可编程序控制器参与控制，从整体系统来看，还是以模拟电路 为主，其代表产品如s m m e n s 公司的s 3 配套液压控制系统，但是价 格相对讲比较昂贵。 目前，恒减速制动系统在世界范围内得到越来越多的应用，由于这 种制动系统的制动油压可根据检测到的减速值在最大和最小之间连续 可调，因此提升机的紧急制动减速度将不受不平衡负载影响，而保持一 恒定值。恒减速制动系统还能显著地改善紧急制动时对机械设备的冲击 和罐笼内人员的承受能力。 1 3 本课题主要研究内容 1 、针对本课题所使用的提升机试验台，对其制动系统进行分析， 确定其相应的监测参数，为监测系统开发做好准备： 2 、分析后选择合适的监测点，安装经过选购的采集信号的传感器， 对一些输出信号为非标准信号的需经过调理系统设计，为采集信号做好 准备： 3 、选用高性能的数据采集卡，对现场的数据进行采集，并送到工 业控制计算机内处理： 4 、选用高性能、高可靠性的工业控制用计算机，以保证提升系统 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 在出现故障时候能及时发现，另外，计算机的工作电源采用u p s 供电 5 、利用计算机系统开发出一套可靠的在线监测系统。本课题主要 是在w i n 2 0 0 0 系统下，以组态王软件为平台，开发一套对提升机的制动 系统进行实时监测的系统。这套系统可以实时的获取工作现场相关参数 的信号，以便对提升机工作状况进行监控，对于一些简单的故障还可以 实时诊断。 6 、建立远程诊断中心网站。对于现场出现的一些比较难判断的故 障，可以由现场工作站的监测系统将所采集到的信号上传到诊断中心， 由诊断中心对其进行诊断，然后将诊断结果以及处理意见反馈给现场。 1 4 小结 本章首先阐述了矿井提升机制动系统的重要性，分析了研制出一套 矿井提升机制动系统远程监测与诊断系统的重要性及意义；然后介绍了 远程监控与诊断、工业监控组态软件以及提升机制动系统在国内外的研 究现状；最后提出了本课题的主要研究内容。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章制动系统远程监测与诊断方法 2 1 基本组成及技术参数 2 1 1 基本组成 制动系统作为矿井提升机的重要部件之一，它由制动器( 俗称闸) 和传动机构组成。制动器是直接作用于制动轮或制动盘上产生制动力矩 的部分，按结构分为盘式闸和块式闸。传动机构是控制调节制动力矩的 部分，按动力来源分为油压、气压、或弹簧等。液压盘式制动器是目前 矿井提升机普遍采用的一种机械制动装置，本课题所使用的提升机也是 这一类型的制动器，其工作原理如图2 1 所示。与早期的块闸制动器不 n佴崭| i e 圳l m f h 黜 删 4 f 1 1 一黥融盘 2 一闸瓦3 一活塞4 一雌簧 图2 - 1 制动闸工作原理图”1 f i g u r e - 1 t h ew o r k i n gt h e o r yo f t h e b r a k es y s t e m 同，该装置的制动力由碟型弹簧产生，松闸时高压油f 2 动作，推动活 塞压缩碟型弹簧，带动闸瓦离开制动盘：制动时，油腔回油，碟型弹簧 f 1 的力量推动闸瓦向制动盘移动以产生制动力。由此可见，只需调节 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 油压力的大小，就可调整制动力的大小。 2 1 2 技术参数 本课题是在提升机型号为2 j t p 1 2 的试验台上进行研究的，它的 制动系统的技术参数如下( 1 3 1 ： 制动盘平均摩擦半径p m = o 6 3 m ：闸瓦对数n = 4 ；提升机滚筒名义 直径d = 1 2 m ：提升机最大静张力差f 。= 2 0 0 0 k g ；闸瓦最大间隙a = 2 m m 弹簧刚度k = 3 1 6 0 k g m m ；一组碟形弹簧片数n = 8 。 2 2 状态监测方案 对制动系统的监测是拾取系统运行过程中的各种相关参数，用现代 信息处理技术对这些参数进行处理，及时评估其运行状态，为设备维修 提供可靠的技术依据。测试方案的确定对于构造设备状态监测与诊断来 说是很重要的个环节，测试方案的确定主要包括系统测试参数的选择 和测试点的确定。 2 2 1 监测参数的选择 制动系统运行状态的好坏，直接关系到提升机的安全运行。因此， 为确保制动系统处于安全可靠的运行状态，除了在设计计算时合理选择 运行状态参数外，关键在于对制动系统实行状态的在线监测。制动系统 的工况监测指的是在提升机工作过程中，对制动系统以及与制动系统相 关的各类运行参数进行监测，并根据这些参数，了解系统的运行状态。 据研究可知，如果只对系统的某一个监测量而言，如：对油压的测 定，或对盘形制动器中的弹簧力的测定，除了知道油压本身大小以及弹 簧力的大小以外，不能判断出制动系统是否出现故障，也就是说，就单 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 个的监测量而言，对于提升机的故障的相关不大，但是要实现对制动力 矩的监测与诊断，又必须通过这几个监测量来完成。因此在设计本诊断 系统前，经过了合理的论证，才确定相关的测量点。 本课题是以立井单绳缠绕式提升机为试验台，主要以提升机制动系 统为监测对象，同时，为了能更加全面、彻底的对制动系统进行故障诊 断，系统还对与制动系统相关的提升机的运行状态、拖动系统的部分信 号进行监测。具体监测内容包括：8 路弹簧力、制动力矩、液压站工作 油压、制动闸摩擦系数、液压油油温、制动盘偏摆量、提升容器运行位 置、提升速度( 包括加、减速度、最大提升速度、爬行速度等) 、提升 方向、电动机拖动力、工作电流、安全回路断电开关等。 2 2 2 监测点的确定 在选择测试位置的时候，不仅考虑到传感器安装的方便性，而且更 为主要的是考虑采集信号时的准确性与稳定性，所以对参数进行监测时 必须选择合适的监测位置。 2 2 2 1 弹簧力测试点 弹簧力如果作为一个单独的监测信号，它只能监测到系统在工作过 程中弹簧力的大小以及在诊断时，诊断制动系统中碟形弹簧是否出现故 障。但是弹簧力作为一个中间量却是一个十分重要的监测参数。在对弹 簧力进行监测的过程中，可以监测提升机制动闸在运行过程中的受力全 过程，以及由此引起的制动力矩的变化，从而可以判断制动力矩是否过 大或过小。另外，弹簧力信号如果结合实验中其它相关参数信号值，还 可以计算出摩擦系数的大小，闸瓦间隙以及开闸油压、残压等一系列间 接的测量参数，从而可以对这些参数进行诊断。 本系统考虑到既可以准确的监测提升机制动闸弹簧力大小，又根据 】0 太原理工大学硕士研究生学位论文 实验室提升机的实际情况，因此将专门设计好的孔幅式传感器( 如图 2 2 ) 放入到提升机的制动闸( 如图2 3 ) 当中，安装好力传感器后的制 动闸整体形状如图2 - 4 所示。 图2 - 2 制动闸的力传感器 f i g u r e2 - 2t h el o a ds e n s o r o f t h eb r a k e 图2 - 3 制动闸的拆解零件 f i g u r e2 - 3 t h ed i s c o n n e c t e dp a r to f t h eb r a k e 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 4 装了传感器后的提升机的制动阐 f i g u r e2 - 4a s s e m b l yf i g u r eo f t h eb e t t e r m e n t e db r a k e 2 2 2 2 偏摆量测试点 制动盘偏摆量是一个十分重要的监测参数，从表面上看，它对制动 系统的好坏没有什么直接反映，但是制动盘偏摆量的大小却可以从另一 个侧面反映着制动闸与制动盘能够有效接触的面积的大小。如果在提升 机进行制动的时候，制动闸与制动盘不能够有效地接触，这时制动力矩 很有可能达不到要求，从而使提升机无法及时制动，以至于发生严重的 后果。另外，如果制动盘偏摆量过大的话，也会导致制动闸的磨损过大， 从而降低了闸的使用寿命。由此可见，系统必须对制动盘偏摆量进行实 时的有效监测，并且进行诊断，一旦发现偏离过大，必须进行及时调整。 为了能够使系统所采用的偏摆量传感器安装方便，还能够监测到最 准确的偏摆量值，结合本提升机实验台的实际情况，最后选择将传感器 安装在制动盘的一侧，具体安装位置如图2 5 所示。选择这个位置不仅 可以使传感器安装检修的时候较为方便，而且更重要的是因为这个位置 监测到的偏摆量值最能反映制动盘偏摆程度。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 5 偏摆量传感器安装点 f i g u r e2 - 5f i xp o i n tf o rb o a ts c n s n r 2 2 2 3 油压测试点 本试验台所采用的提升机液压制动系统，它供给每个液压缸的各个 管路的液压源都是相同的，因此在实验的时候，只需测电磁换向阀的出 口处的压力，因为此处所测压力和其它各液压缸中所测压力是一样的。 为此，本系统只在电磁换向阀的出口处接了个压力传感器。而在监测 每个闸的贴闸油压、残压等特殊油压值的时候，可以通过其它信号的采 集来判断贴闸或制动时刻对应的压力值，这样可省去了一般对每个液压 缸都使用压力传感器的做法。 2 2 2 4 速度测试点 在监测提升机速度时，可以采用由北京昆仑海岸传感器公司生产的 霍尔式( 磁性) 转速测量仪等测速传感器，也可以利用本试验台中的测 速发电机经分压来测定速度。经过试验，效果都比较理想，最后本系统 利用后者来监测提升机的速度( 即直接通过测速发电机分压) 。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 5 其它参数的测试点 本课题所研究的系统对其它参数的监测相对比较简单，而且在采集 过程中信号比较稳定( 基本不受外界干扰) ，因此确定此类参数的测试 点时，都是以传感器安装方便为前提下进行的。如电流测试点的确定， 根据实验室的实际情况，只需将电流传感器串接在电动机定子电流的感 应回路中( 接操作盘上电流表的回路) 即可实时对电流进行监测。 2 3 常见故障及诊断准则 2 3 1 制动系统主要故障 矿井提升机制动系统的故障多种多样，其中有些故障很容易被发现 或察觉，而有的故障则不易。这些不易感知的故障往往会导致制动系统 的可靠性严重下降，因此在设计诊断系统的时候要尽可能的诊断出那些 隐性的故障源。根据本课题的实验设备情况，本系统主要可以诊断出的 制动系统故障及故障源有以下几个方面。 2 3 1 1 制动力矩失效 从煤矿安全规程对提升机的保护，以及现场运行提升机事故的严重 程度来看，制动力矩不足或制动力矩过大引起的故障是致命性故障，因 此系统对制动力矩必须进行实时的诊断。造成制动力矩失效的主要的因 素有： 1 、弹簧老化或者断裂，都会造成闸瓦制动正压力降低，从而引起 制动力矩的失效； 2 、油压偏离正常残压太多。当油压大于正偏差的最大值时，这时 将出现制动力矩过小，故障归类为残压过高；当油压小于负偏差的最小 值时，这时将出现制动力矩过大，故障归类为残压过低。由此可见，残 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 压偏离太多都将导致制动力矩失效，而制动力矩过大或过小，都将可能 发生严重的事故，所以必须严格控制残压的大小； 3 、制动盘及闸瓦油污。制动盘及闸瓦存在油污将导致闸盘摩擦系 数降低，从而导致制动力矩的减小，这是比较严重的事故隐患。 4 、制动盘偏摆量过大。由于制动盘的偏摆，导致制动盘与闸瓦不 能很好的接触，因此它们的有效接触面积减小，从而使得制动力矩不足。 另外，制动盘偏摆量若是太大，还将导致制动盘与闸瓦磨损严重，安全 制动时空动时间延长等不良后果。 2 3 1 2 制动闸跟随性不好 制动闸跟随性的好坏，直接决定提升机制动性能的好坏。如果制动 滞后，容易引起提升机超速、过卷或制动不住而发生跑车等事故，因此 必须予以足够重视。造成制动滞后的原因主要包括如下几个方面“： 1 、闸瓦间隙过大。如果闸瓦间隙过大，必将会导致制动滞后，因 此对于闸瓦间隙必须经常实时监测，如果间隙过大，必须马上调整。 2 、空动时间偏长。对于盘式制动器，空动时间不得超过o 5 s 。导致 空动时间偏长主要原因有：弹簧疲劳失效；闸内阻力偏大；液压系统油 路阻力偏大；闸瓦间隙过大。若空动时间过长，也会导致制动滞后，这 样会使本应可以控制的事故发生，造成严重后果，应引起足够重视。 3 、系统中若混有少量空气，也会导致闸瓦动作滞后。因为空气的 压缩性是液体的1 0 0 0 多倍，若系统中混有少量空气，就会严重影响液 体压力的传递。因此应经常检查并排净系统中的残存气体，这故障源在 本系统由于实验条件限制不能进行监测。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 1 3 液压站提供的油压失效 液压系统是提升机制动系统的一个重要组成部分，如果液压系统不 能正常提供油压或者达不到实际工作所需压力，那么提升机就有可能不 能松闸，提升机就无法正常工作。在本课题研究过程中由于设备原因， 只能对液压系统工作油压进行监测与诊断。 2 3 2 重要参数的诊断准则 本系统是以提升设备说明书规定性能标准、煤矿安全规程、煤矿提 升系统许可运行检查标准及相关国家标准作为诊断的主要依据。具体各 个参数的诊断准则下面将作详细介绍。 2 3 2 1 弹簧力的诊断准则 该提升机的制动力是由碟形弹簧产生的，碟形弹簧的失效或疲劳损 坏都会对制动产生极大影响，因此在系统试验前必须对碟形弹簧进行测 定。通过对弹簧力与弹簧实际变形的测定( 测定数据如表2 1 所示) 表2 1 弹簧力与弹簧变形对照表“” t a b l e2 - 1c o r r e s p o n d i n gi 1 a t i o nb e t w e e ns p r i n gp o w e ra n dv a r i a t i o n 输入( i ( n )弹簧变形( m m )理论变形( m )相对误差 2 7 5 0 6 2 4 50 6 3 31 3 4 2 2 51 7 8 7 0 1 8 9 9 1 6 0 9 1 7 53 1 4 0 53 1 6 50 3 5 2 1 2 54 5 0 2 54 4 3 11 0 3 7 55 8 5 1 55 6 9 72 2 2 2 57 1 9 7 56 9 6 33 3 7 ( 注：试验以最大力3 0 k n 输入时，弹簧变形设定为o ) 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 可以看出，此提升机所采用的碟形弹簧在7 5 k n 2 5 k n 之间线性度是 比较好的，因此可以标定该区域为它的工作区域。如果弹簧力不在这个 工作区域，可判定为弹簧失效。一旦出现弹簧失效的情况，应马上进行 检修，必要时进行更换。 2 3 2 2 制动力矩的诊断准则 目前我国煤矿由于提升机制动系统故障而发生重大事故的例子很 多，而制动系统故障大部分是由于制动力矩的故障而引起的。制动力矩 的故障大致可分为制动力矩过大或过小，因此，对于制动力矩的诊断， 就是要选择制动力矩倍数k 合理的范围n 5 h 1 。 一、紧急制动时制动力矩倍数的k ，的确定 紧急制动时制动力矩m ：应大于3 倍静负荷所形成的静力矩m ， 即m。3m，(2-1) 式中：m i = 墨学，式中：q - - - 次提升载荷重量； p k 一钢丝绳单位长度重量；h 一提升高度；d 一滚筒直径。 若用通式m ：= k ：m j 表示时，则有：k ：鲁， 故： k：3(2-2) 二、下放货载紧急制动时制动力矩倍数的确定 下放货载紧急制动时减速度要求a ，1 5 m s 2 ，下放货载力矩的平衡 方程为： m ：；m 】( d - - m i ( 2 3 ) 1 7 奎堕里三奎堂里主竺塾竺兰堡堡墨 一 式中：m 。= m a 导，m 为提升系统的总变位质量。而 a 。1 5 i 曲2 。将上述数值及公式代入，得m ：1 5 m + i d + ( q 十p k h ) i d ，若有通式m ：；k ：m ，表示时，可以得到： k x2 1 5 二丐- m d 生+ ( q 百+ p k h 上) d ，即： ( q + p k h ) 詈 k m5 至! + 1 ( 2 - - 4 ) k x l 5 q + p k h + 1 三、上提货载紧急制动时制动力矩倍数k 。的确定： 上提货载紧急制动时制动减速度a ：_ 1 2 位a d 转换分辨率 a d 转换器的采样速度可达1 0 0k s s 卡上4 k 的采样f i f o 缓冲器 支持软件、内部定时器触发或外部触发 主要规格为： a d 板的转换时间为2 5 u s 输入的电压范围为： 双端输入： 士1 0v ，士5v ，士2 5v ， 士1 2 5v ，士o 6 2 5v 单端输入：0 1 0 v ，o 5 v ，o 2 5 v ，0 1 2 5 v 最大输入过载电压：士3 0v 最高采样速度：1 0 0k s s 3 3 2p c l - 7 3 3 采集卡 p c l - 7 3 3 能够提供隔离数字量输入通道和隔离数字量输出通道，隔 离保护电压可以到2 ，5 0 0 v o c 。它们是要求采取高电压隔离工业应用的理 2 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 想选择。它的主要特点有： 3 2 路隔离双向数字量输入通道 高电压隔离( 2 ，5 0 0 v o c ) 中断能力 用于隔离输入通道的d 型接口 为隔离输入通道预留电压保护( 可达2 4 v o c ) 主要规格为： 输入电压范围：5 2 4 v t x ： 输入阻抗： 1 2 k w 开关采集最大速度：1 0 k h z 中断等级：2 ，3 ，5 ，7 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 5 中断源：隔离的0 通道，1 6 通道 电源消耗：+ 5 v ，一般为3 2 0 m a ，最大为5 0 0 m a 在固定采集卡的时候采购的是浙江金成公司生产的n s 3 5 ，n s 3 2 标 准卡装式安装导轨。此导轨还用于安装和固定端子排、电流传感器等。 3 4 信号调理设计 在众多传感器输出的信号当中，有些为标准信号，可以直接将此类 信号送至信号采集卡，但也有些为非标准信号( 如：在测量8 路弹簧力 时所采用的孔幅式压力传感器，以及测量油压时采用的c y a 传感器所 采集的信号) 。在采集信号过程中，如果直接将这些非标准信号送往采 集卡的话，采集卡将无法采集，另外，由于矿井提升机工作现场的各种 2 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 干扰较为严重，对于那些受干扰影响较大的信号必须事先经过信号调理 后再被采集，以保证采集信号的稳定性和可靠性。 系统中需要经过调理处理的共有9 路信号，电路原理如图3 2 所示。 调理系统由接线柱、电阻、可调电位器、电容、8 脚的集成运算放大器 图3 - 2 放大滤波电路图 f i g u r e 3 - 2a m p l i f i e r - f i l t e rc i r c u i td i a g r a m l m 7 4 1 c n 以及安装底座等元件组成。9 路放大滤波接线图如3 3 所示。 图3 - 39 路放大- 滤波板接线图 f i g u r e 3 3c o n n e c t o ra s s i g n m e n t sf o r9 - c h a n n e la m p l i f i e r - f i l t e rc a r d 3 5 传感器的选择 传感器通常由敏感元件及测量线路组成，其作用是将被测量或电量 转换成符合要求的电信号，它是现代测试系统的“五官”，是获取信息 太原理工大学硕士研究生学位论文 的装置 3 8 30 在选购提升机监测系统的传感器的时候，一定要综合加以 考虑，不能只考虑价格而忽视灵敏度、精确度，否则，作为人类延伸了 的感官，就失去了应有的作用。 3 5 1 油温传感器 温度传感器选用了北京昆仑海岸传感器公司的j w b p t l0 0 铠装式 温度传感器，安装在制动液压站油箱里。该传感器可在恶劣的环境下使 用，具有防潮、防爆、防水、防震、防有害气体侵蚀的能力。j w b 一体 化温度变送器，在温度传感器的接线盒内安装了变送模块，变送模块选 用专用芯片进行放大和线性化处理，提高了传感器测量精度，冷端无需 补偿，负载能力大，传输距离远，抗干扰能力强。 j w b p t l 0 0 的工作原理：根据电阻的阻值、热电偶的电势随温度不 同发生变化的原理，采用先进的电路模块集成技术组成变送器，输出 个标准信号。 j w b p t l 0 0 传感器的性能指标：量程：o 1 0 0 0 c ；输出：o 5 v ； 供电：2 4 v d c ；接线：3 线制。 3 5 - 2 油压传感器 油压传感器选用蚌埠市天力传感器厂生产的c y a 型压力传感器， 通过螺纹连接在液压站的出口。此传感器的性能指标为：量程：0 1 6 m p ：输出：0 - - 1 7 2 m v 供电：6 v d c ：接线：4 线制。因为它的输出 信号为非标准信号，因此在采集卡采集信号之前，进行放大一滤波处理， 才可采集信号。 3 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 5 3 偏摆量传感器 采用北京昆仑海岸公司生产的s t - 1 型非接触式电涡流传感器，安 装在滚筒的一侧。电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式 位移、振动传感器。可对进入其测量范围内的金属物体的运动参数进行 精密地非接触测量。其探头部分具有高强度、耐高温、耐压、耐油、耐 水浸泡及耐化学腐蚀等优点；而且可以根据用户要求将探头、电缆做成 整体。 它的性能指标为：量程：0 2 0 m m ；被测材料：4 5 # 钢：供电： a ：1 5 v d c ，双向电源；接线：3 线制。 3 5 4 弹簧力传感器 闸瓦弹簧力传感器采用自行设计的孔幅式压力传感器，安装在制动 闸盘中。其测定原理：孔幅式传感器在受载的情况下，内部的剪切式电 阻应变片产生变形，而电阻发生改变，在外加电压的作用下，会有一个 输出电压，电压的大小反映了受载的大小。 其性能指标：量程：0 3 0 k n ；输出：0 2 0 m v ；供电：2 4 v d c ； 接线：4 线制。 3 5 5 其它传感器 本系统在监测电流的时候采用长江斯菲尔的b s 4 i - - n 型号的交流电 流传感器，串接在电动机定子电流的感应回路中( 接操作盘上电流表的 回路) 。在对提升机的速度进行监测的时候，通过测速发电机分压后得 到，电路图如图3 - 4 所示： 3 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 r 图3 4 分压电路图 3 9 1 f i g u r e 3 - 4c i r c u i td i a g r a mo f s t e p - d o w nv o l t a g e 3 6 传藤器供电系统 系统中给传感器供电的电源有直流2 4 v 、1 2 v 、6 v 、5 v 电压，以 上直流稳定电源均采用上海正宏电源公司生产的h b l 7 0 1 s c 型直流稳 定电源。另外，还有正、负1 5 v 双向电源给部分传感器供电。 3 7 小结 本章介绍了矿井提升机制动系统状态监测与诊断系统的硬件系统 的总体结构，并根据系统硬件的选用标准，对系统硬件的选择与设计进 行了详细阐述。 3 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1 软件的选择 第四章系统软件开发 软件平台和开发工具选择的合理与否，对设计一个系统来说是相当 重要的。软件平台决定了系统运行的稳定性和可靠性，开发环境决定了 系统开发的可行性及难易程度。 4 1 1 系统软件平台 建立一个远程状态监测与诊断系统，软件平台方面首先考虑的应该 是网络操作系统以及服务器软件。作为一个系统软件，操作系统管理并 控制计算机的软硬件资源，其中包括处理器管理、存储管理、用户管理、 文件管理、作业管理，在用户与计算机之间担任着重要的桥梁作用。作 为网络操作系统还要考虑网络安全性、可靠性、稳定性、兼容性以及价 格等诸多因素。目前较常见的网络操作系统主要包括u n i x 、l i n u x 、 n o v e l l 公司的n e t w a r e 和m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sn ts e r v e r 、w i n d o w s f o rw o r k g r o u p s 、w i n d o w s9 5 9 8 及w i n d o w s2 0 0 0 。 w i i l 2 0 0 0s e r v e r 可以认为是w i n n t 的升级版，w i n 2 0 0 0s e r v e r 在架 构w e bs e r v e r 、f t ps e r v e r 等网络服务的能力有了很大的增强，再加上 操作界面与w i n 9 5 9 8 相同，安装和配置都比u n i x 、l i n u x 容易。w i n 2 0 0 0 s e r v e r 操作系统有着很高的市场占有率。综合考虑各种因素，选择 w i n 2 0 0 0s e r v e r 作为操作系统。其优势如下眺卜 3 0 3 1 、熟悉的使用环境。w i n2 0 0 0s e r v e r 使用的界面和w i n9 5 9 8 相 似，因此很容易操作，节约了学习时间和成本。 3 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、安装设置容易。w i n 2 0 0 0s e r v e r 应用软件的安装，大多采用“问 答对话式”，回答完问题后就会自动将软件安装好，不需经过复杂的设 置或修改。即使要修改，也提供了较好的界面，不需要另外使用文字编 辑器等。 3 、系统防护较好。w i n n t 系统的安全等级达到c 2 标准。w i n 2 0 0 0 虽尚未经评定，但作为其升级版，不会低于这个标准。整体而言，要入 侵w i n 2 0 0 0 不容易，管理者可以将主要精力投入在管理与维护上。 4 、集成i n t e m e t 服务。w i n 2 0 0 0 集成了i i s ( i n t e m e ti n f o r m a t i o n s e r v e l ) ，i i s 是一个集成的i n t e m e t 服务器，可以提供w e b 服务、f t p 服务、s m t p 服务以及新闻组等，使得系统不必需要额外的配置服务。 4 1 2 系统开发工具 开发工具方面主要考虑的是选用何种开发工具使得开发出来的系 统功能比较完美，在开发时比较容易上手，处理程序比较直观等。 4 1 2 1 组态王软件1 组态王软件允许用户进行功能扩展和发挥，也可以根据用户需要进 行自由地裁减应用系统，并且优化操作过程。该软件支持w i n 2 0