（机械设计及理论专业论文）铜坑矿重点设备状态控制研究.pdf

厂 删”明嬲 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：量垒玛 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：盟导师签名盥日期：年一月一日 厂 一一 中南人学硕i ：学位论文摘要 摘要 在二十一世纪，信息化是企业发展的必然趋势。设备是矿山企业 主要的固定资产也是其生产能力的重要保障。因此，提高设备管理水 平，实现设备管理的信息化、现代化，对提高矿山企业的工作效率， 提高企业竞争力都具有极其重要的意义。 本文以铜坑矿的铲运机和索道为研究对象，吸收全员生产维修制 的4 s 活动与点检制，综合运用先进的计算机技术、网络技术和数据 库技术设计了铲运机4 s 维护体制及其软件。该体制根据设备的点检 结果来确定设备的状态，是实现设备状态控制的一种重要方式。 在对铜坑矿设备管理现状和特点的充分调研的基础上，开发了铲 运机4 s 维护体制软件的数据流程和工作流程。采用面向对象的设计 技术，利用建模工具i d e f 0 建立了铲运机4 s 维护体制软件的总体功 能模型。并对其数据库系统进行了设计，为软件的实现奠定了坚实的 基础。 以o r a c l e10 9 作为数据库，o r a c l ef o r m sd e v e l o p e r 与o r a c l e r e p o r t sd e v e l o p e r 作为开发工具，编程实现了铜坑矿铲运机4 s 维护 体制软件。软件经过实际应用检验，达到了提高设备管理水平、降低 生产成本等设计目标，获得了用户的充分肯定。 对铜坑矿索道钢丝绳振动进行了深入的研究。利用a n s y s 建立 了索道系统的有限元模型，并计算出前l o 阶固有频率和振动模态。 研究结果表明，共振是造成索道钢丝绳振动过大的关键因素。对索道 掉索、掉斗及索道状态监测进行了研究。 关键词：设备管理，状态监测，i d e f o ，铲运机，索道 中南人学顾 a bs t r a c t i n21t hc e n t u r y , i n f o r m a t i o n i z a t i o ni sa ni r r e s i s t i b l eg e n e r a lt r e n dt o e n t e r p r i s e s m i n i n ge q u i p m e n ta r e n o to n l yg r e a tp r o p e r t yt ot h o s e e n t e r p r i s e s ，b u ta l s oa r ei m p o r t a n tg u a r a n t e e st oe n t e r p r i s e sp r o d u c t i o n a c t i v i t i e s t h e r e f o r e ，i m p r o v ee q u i p m e n tm a n a g e m e n t ，t o a c h i e v e i n f o r m a t i o n i z a t i o na n dm o d e r n i z a t i o n ，t oi m p r o v et h e e f f i c i e n c y o f m i n i n ge n t e r p r i s e s ，i m p r o v et h ec o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e sa r eo f g r e a ti m p o r t a n c e d o n g k e n gm i n e ss c r a p e ra n dt r a m w a ya r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r b a s e do ns p o ti n s p e c t i o na n d4 sa c t i v i t i e so ft p m ，a n dw i t hm a k i n gf u l l u s i n go fc o m p u t e r , i n t e m e t ，d a t a b a s e ，s c r a p e r4 sm a i n t e n a n c es y s t e ma r e d e s i g n e d t h er e s u l t so fs p o ti n s p e c t i o no f d e v i c e sd e t e r m i n et h es t a t e so f d e v i c e s i t sa ni m p o r t a n tm e t h o dt om a s t e rt h es t a t e so fd e v i c e s b a s e do nf u l l i n v e s t i g a t i o n o fs t a t u sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f e q u i p m e n tm a n a g e m e n to fd o n g k e n gm i n e ，d a t af l o wa n dw o r k f l o wo f s c r a p e r4 sm a i n t e n a n c es o f t w a r ea r ed e s i g n e d a n a l y s i so ft h ea c t u a l n e e d so ft h es y s t e m ，w i t hu s i n go b j e c t o r i e n t e dd e s i g nt e c h n o l o g ya n d i d e f 0m e t h o d ，t h eo v e r a l lf u n c t i o nm o d e lo fs c r a p e r4 sm a i n t e n a n c e s o f t w a r ei sd e s i g n e d i t sd a t a b a s es y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dh a sl a i das o l i d f o u n d a t i o nf o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n t b a s e do nb s dm o d e ，u s i n go r a c l e10 9a st h ed a t a b a s e ，o r a c l e f o r m sd e v e l o p e ra n do r a c l er e p o r t sd e v e l o p e ra sd e v e l o p m e n tt o o l s ， d e v e l o p e ds c r a p e r 4 sm a i n t e n a n c es o f t w a r e a f t e rt h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o no ft e s t i n gi nd o n g k e n g ，t h es o f t w a r eh a da c h i e v e dt h ed e s i g n g o a l st h a ti m p r o v ee q u i p m e n tm a n a g e m e n ta n dr e d u c et h e c o s to f p r o d u c t i o n 。t h es y s t e mw a s w e l lr e c e i v e d r e s e a r c hc a r r i e do u to nt h ev i b r a t i o no fs t e e l r o p eo fc a r r y i n g t r a m w a y s e s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft r a m w a ys y s t e m a n dt h e f o r m e r10c i r c l e so fn a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d a lw e r eg i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s o n a n c ec a u s e se x c e s s i v ev i b r a t i o no f s t e e l r o p e ，a n d t h e nc a u s e s s t e e l r o p e a n dc a r s l e a v i n gt h eo r i g i n a l l i p o s i t i o n o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m o ft r a m w a y sh a v eb e e ns t u d i e d k e yw o r d s ：e q u i p m e n tm a n a g e m e n t ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，i d e f 0 ， s c r a p e r , t r a m w a y i i ! 中南人学硕i ：学位论义甘录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录。i v 第一章绪论1 1 1 本文的研究背景1 1 2 铜坑矿重点设备使用中存在的主要问题2 1 2 1 铜坑矿铲运机使用中存在的主要问题2 1 2 2 铜坑矿货运索道存在的主要问题3 1 3 全员生产维修制及其4 s 活动5 1 4 索道状态监测研究现状6 1 4 1 国内索道状态监测研究现状6 1 4 2 索道振动监测传感器研究及应用现状8 1 5 本文的研究内容和意义。8 1 5 1 本文的研究内容8 1 5 2 研究意义9 1 6 本文的组织结构l o 1 7 本章小结l o 第二章铲运机4 s 维护体制设计l l 2 1 铲运机4 s 维护体制的目标1 l 2 2 铲运机4 s 维护体制的理论基础1 1 2 2 1 零件磨损规律1 l 2 2 2 故障理论1 2 2 3 铲运机4 s 维护体制设计1 3 2 3 1 铲运机维护周期结构设计1 3 2 3 2 铲运机维护内容的制订1 4 2 4 铲运机4 s 维护体制的执行16 2 5 铲运机4 s 维护体制的工作模式18 2 6 本章小结1 9 第三章铲运机4 s 维护体制的控制研究。2 0 3 1 铲运机4 s 维护体制数据流程研究2 0 3 1 1 设备使用状况变化数据流程2 l 3 1 2 设备点检数据流程2 l 3 2 铲运机4 s 维护体制工作流建模2 3 3 2 1 工作流建模常用方法2 3 3 2 2i d e f 0 建模方法2 4 3 2 3 软件功能模型树。2 6 i v 中南人学硕l ：学位论文 日录 3 2 4 软件i d e f 0 功能模型图2 7 3 3 本章小结。3 l 第四章铲运机4 s 维护体制软件的实现3 2 4 1 软件的体系结构3 2 4 2 软件的开发工具。3 3 4 3 铲运机4 s 维护体制软件的应用实例3 5 4 3 1 软件登录3 6 4 3 2 设备使用状况登录模块的实现与实例3 6 4 3 3 点检基准登录与维护模块的实现与实例3 8 4 3 4 点检执行登录模块的实现与实例3 9 4 3 5 点检执行查询模块的实现与实例4 0 4 3 6 点检预报模块的实现与实例4 2 4 3 7 换油油票打印模块的实现与实例4 3 4 4 软件应用效果4 4 4 5 本章小结4 5 第五章铜坑矿货运索道状态监测研究。4 6 5 1 索道系统振动特性研究4 6 5 1 1 索道固有频率4 6 5 1 2 索道模态仿真4 9 5 2 索道掉斗及掉索研究5 3 5 2 1 索道掉斗的受力特性研究5 3 5 2 2 索道掉索的受力特性研究5 5 5 3 索道状态监测研究5 7 5 3 1 索道状态监测系统目标5 7 5 3 2 索道状态监测系统性能指标5 7 5 3 3 索道状态监测系统设计依据5 8 5 3 4 索道状态监测系统研究思路5 8 5 4 索道状态监测系统方案5 9 5 4 1 索道状态监测系统拓扑结构5 9 5 4 2 掉索状态监测子系统5 9 5 4 3 索道设备状态监测子系统6 l 5 4 4 数据采集与监视系统。6 2 5 4 5 数据处理与分析系统6 3 - 5 5 本章小结6 4 第六章总结与展望6 5 6 1 总结6 5 6 2 展望6 5 参考文献6 7 1 殴谢7 l 攻读学位期间主要科研成果及参与的工作7 2 v 中南人学颂l ：学位论义 第一市绪论 1 1 本文的研究背景 第一章绪论弟一早瑁v 匕 我国矿产资源丰富，采矿业是我国国民经济的支柱产业之一。矿山设备是矿 山生产的支柱，它的安全运行是矿山企业安全生产的重要组成部分，尤其是矿山 重点设备的高效、安全运行更是矿山企业生产的关键【l j 。 矿山企业的工艺流程固定，生产设备占投资成本比例较高，而且设备通常是 专用的。生产能力受到一定的限制，因而生产线上的设备维护显得至关重要，重 点设备的非正常停机将对整个生产过程造成严重的影响，给企业带来巨大的经济 损失，并且威胁到员工的生命安全1 2 l 。 以金属矿山为例，我国大量金属矿山属于老企业，其设备管理体制与观念较 为落后。在设备管理工作中存在的问题主要表现在：设备管理制度不合理，基础 管理水平较低。大部分矿山仍然采用事后维修或者计划维修方式，前者由于设备 故障而造成生产中断；后者导致设备及备件利用率较低，不能使设备充分、高效 地运行。设备老化严重，重复购置率高，设备使用效率低。 矿山企业是典型的资产密集型企业，其设备资产占企业总资产的绝大部分， 设备的运行状态直接决定了矿山企业生产活动的进行和劳动生产率的提高。因 此，建立科学完善的设备管理及维护体制，改进矿山设备的管理与维护工作，是 保证矿山生产经营目标的实现和企业能否持续协调发展的基本条件1 3 1 。 近几年来，我国金属矿山企业规模不断扩大，设备的购置、维护保养在生产 成本中所占比重越来越大。而目前矿山设备维护管理仍停滞在传统阶段【4 1 ，不能 及时、全面地掌握设备信息，工作效率较低，决策水平受到制约，某些业务流程 己无法适应新形势的发展【5 】。先进的矿山设备与落后的维护能力的矛盾严重地阻 碍了企业的进一步发展。 本研究来源于十一五国家科技支撑计划项目大型金属矿山设备管理体制及 其信息系统研究( 2 0 0 8 b a b 3 2 8 0 2 ) 。铜坑矿是华锡集团下属的主要矿山企业之一， 是集团公司主要原材料的生产基地。年生产能力已达至u 1 7 0 万吨，已超过设计的 生产能力。井下出矿采用进口的c t x 6 b 、t o r 0 4 0 0 、s t 2 d 铲运机，运输采用1 8 t 大 型井下卡车，大块破碎采用进口的t m l 6 破碎锤，实现了井下作业无轨化。采出矿 石在井下集中粗碎后，经竖井提升到地面进行中、细碎，再经过5 3 公里空中索 道送往车河选矿厂处理。 中南人学硕：i ：学位论文 第一章绪论 1 2 铜坑矿重点设备使用中存在的主要问题 铜坑矿成立于1 9 7 8 年，经过三十多年的开采，铜坑矿已由小变大，由亏损企 业变成集团公司盈利大户。铜坑矿引进了大量先进的现代化设备，使生产的机械 化达到了较高的水平。设备的现代化一方面为矿山的大规模的生产提供了支持： 另一方面也使设备的使用与管理出现了一系列新问题。 1 2 1 铜坑矿铲运机使用中存在的主要问题 铲运机作为井下出矿的主要设备，它的状态直接关系到生产能否有序进行， 以铲运机为例介绍铜坑矿设备维护工作现状。铜坑矿井下铲运机主要有法国产的 c t x 6 b 和芬兰产的t o r 0 4 0 0 两种，2 0 0 9 年底，铜坑矿购进了两台瑞典与南京联合生 产的阿特拉斯科普柯s t 2 d 新型铲运机。铜坑矿现有的铲运机采取承包式管理， 即一台铲运机承包给一个7 人的小组，设有操作工3 名，检修工4 名，其中一人担 任组长。每天分2 班，每班工作1 2 d , 时。每天上午对铲运机进行检修，其余时间 铲运机都处于工作状态，承包小组按产量获取报酬。 我们在现场调研发现，铜坑矿设备管理中还存在以下问题。 体制不完善。这种生产承包制提高了工人的积极性，增加了矿山年出矿量， 但是，这种由承包小组使用，矿方提供备品备件的维护管理方式造成了巨大的浪 费。有时某个部件上的某个零件出了问题，维修工却将整个部件替换掉。一些可 以继续使用的润滑油被维修工人强行换掉造成浪费，尤其对于进口铲运机中使 用的润滑油浪费就更严重。进口铲运机价格高昂，一台进口铲运机的价格为几百 万。据铜坑矿统计，2 0 0 9 年，用于设备维护的备件花费高达1 7 0 0 多万元。 没有掌握设备维修规律【i o 】。铜坑矿设备维护管理还停留在事后维护阶段， 即不坏不修，坏了才修。铲运机如果在生产过程中出现故障，则由维修工在硐室 进行维修，如果在硐室不能解决故障，则将铲运机开到地面维修车间进行维修。 维修工人只负责修理，对于设备维修前的故障的具体原因、关键部位的磨损程 度、关键备件的尺寸大小、检修过程中采取的安全与技术措施等，均不做维修记 录。虽然铜坑矿的铲运机已使用三十多年，但是一直没有记录第一手资料，使得 维修作业凭个人经验和感觉进行，大大增加了重复性故障发生的次数。没有制定 检修行业工艺规程，检修场地的设施简单，有时甚至连清洗零部件等最基本的工 具也达不到要求。部分重点部位的螺栓不能严格按要求进行紧固，导致螺栓承载 不均，使得维修质量无法得到保证。维修后的液压系统没有在额定负载下进行检 测、维修后的变矩器、柴油机等也没有进行相关技术检测。这就导致维修后的铲 2 中南人学颂i ：学位论文第一章绪论 运机的状念不能得到保证，下井工作后就会出现各种故障，造成恶性循环j 。 技术力量比较薄弱。设备技术更新较快，维修人员技术水平有待进一步提 高。铜坑矿的大型设备多，自动化程度越来越高。这对操作和维修人员的技术水 平提出了更高的要求。现有的承包小组所受培训较少，很难达到厂家所提出的维 护标准，有些甚至没有按规定的要求进行维护保养。由于对进口铲运机【i2 】不熟 悉，操作、维护不当造成现有铲运机故障率高、使用寿命较短、维护成本高。 1 2 2 铜坑矿货运索道存在的主要问题 索道是交通工具的一种，通常在崎岖的山坡上运载乘客或货物上下山。索道 是利用悬挂在半空中的钢索，承托及牵引车厢或矿斗。除了车站外，一般在中途 每隔一段距离建造承托钢索的支架。客运索道通常在钢索之下吊挂车厢；货运索 道通常在钢索之下吊挂矿斗【1 3 j 。 索道按支持及牵引的方法，可以分为两种：一、单线式：使用一条钢索，同 时支持车厢的重量及牵引车厢或矿斗。二、复线式：使用多条钢索。其中用作支 持车厢或矿斗重量的一或两条钢索是不会动的，其他钢索则负责拉动车厢。 按行走方式，索道可分为两种：一、往复式：索道上只有一对车厢，当其中 一辆上山时，另一辆则下山。两辆车到达车站后，再各自向反方向行走。二、循 环式：索道上会有多辆车厢，拉动的钢索的是一个无极的圈，套在两端的驱动轮 及迂回轮上。当车厢或矿斗由起点到达终点后，经过迂回轮回到起点循环。 铜坑矿现有运矿索道两条，两条索道属于单线循环式货运索道【1 4 j 。这两条 5 3 公里长的索道承担了地面矿石运送的重任。每天开机运行时间已达2 0 小时， 两条索道现在实际运输量已达到1 7 0 万吨年，大大超过了其设计运量，两条线 路都在超负荷运转。索道线路长、高差大、经过的地形非常复杂，以2 号索道为 例，如图1 - 1 所示。主要表现在：高差大，而且是负力运行；高差地段 集中在装载站与压索站之间，部分地段坡度约达3 0 。；线路通过一个长约 1 7 0 0 m 、深约2 5 0 m 的谷地，必须设置压索站，否则需配置1 0 多个约1 0 0 m 高的 支架：从压索站至卸载站之间，两端高差为1 3 1 8 m ，且中间为凸起高地，上 坡或下坡时容易产生加、减速度，破坏索道线路平衡，造成速度波动。 1 装载站2 山坡3 塔架4 钢丝绳( 索引索) 5 压索站6 卸栽站 图1 12 号索道纵断面示意图 ( 1 ) 索道掉斗问题 3 第一章绪论 铜坑矿索道采用的是重力式抱索器，抱索器构造如图卜2 。滚轮4 、滑套5 及 吊杆6 组装为一体，与外抱卡l 、内抱卡2 、弯杆轴3 构成四连杆机构。矿斗与抱索 器通过吊杆6 相联接。 1 外抱砖2 内抱膏3 弯杆轴4 滚轮5 滑套6 吊杆 图l - 2 抱索器结构图 抱索器工作原理是，当滚轮4 支撑在扁轨上时，抱索器内抱卡2 与外抱卡1 构成的钳口在最大开口位置。随着索道运转，抱索器在定位器弹簧力作用下，抱 索器钳口紧贴钢丝绳，滚轮4 逐渐脱离扁轨最终悬空，在吊杆6 及矿斗的重力作 用，使弯杆轴3 向右移动，抱索器钳口闭合并抱死在钢丝绳上。这是抱索器出站 上绳抱绳的工作过程。反之，扁轨支撑滚轮4 ，重力作用使弯杆轴3 左移，钳口 打开，抱索器下绳进站1 1 5 j 。 掉斗是指索道运行过程中抱索器( 如图1 - 2 ) 脱离钢丝绳而导致矿斗( 包含 抱索器) 从索道中掉落的现象。 ( 2 ) 索道掉索问题 托索轮组是索道设备中重要的运行部件，安装在塔架上用来支承钢丝绳。托 索轮组结构如图1 - 3 所示。 导向轮与托索轮分别安装在小平衡梁两端，托索轮组在钢丝绳作用下保持平 衡，根据钢丝绳载荷的变化小平衡梁绕小轴转动。当索道正常运行时，钢丝绳由 驱动机牵引，矿斗在重力作用下，通过抱索器紧锁在钢丝绳上i l 纠7 l 。在驱动机的 牵引力、钢丝绳本身的重力和矿斗重力共同作用下，钢丝绳紧压在托索轮的轮槽 中，货车和钢丝绳以一定的速度向前运动。导向轮、托索轮在摩擦力作用下绕自 身的转轴转动。 4 图l 一3 托索轮组示意图 由于索道钢丝绳振动过大【埽- 2 0 l ，使钢丝绳从轮槽中弹起，造成了索道运行的 不稳定。严重时导致钢丝绳从导向轮、托索轮上掉落( 即掉索) 。掉索又细分为： 掉索发生在托索轮组的内侧( 靠近塔架) 和掉索发生在托索轮组的外侧( 远离塔 架) 。 两条索道曾出现过多次掉索，如果钢绳落在托索轮外侧，则会引发连续掉斗， 造成矿斗摔坏，矿石浪费，不仅带来巨大的经济损失，而且造成索道无法正常运 行；如果钢绳落在托索轮内侧，有可能拉倒支架，后果不堪设想。目前，铜坑 矿主要通过人力对掉索进行观察，在索道沿途设置6 个观察站，每个观察站有8 位工人，在索道运行时，由哨所值守人员轮班巡查，在值守人员发现非正常情况 后，向控制室报告，再由控制室人员做相应的紧急处理，这个办法可以解决一些 问题，但事件处理的实时性和准确性很差，并增加了人力负担。山区工作条件极 其艰苦，按每人每年2 万元工资计算，仅这笔开支，矿山每年要支付近百万元， 而且在雨雾天靠人眼观察效果不理想。同时，工作人员需要定期检查索道控制与 驱动设备( 以下简称索道设备) 中轴承的运行状况。比如，检查轴瓦温度，观察 轴、轴承的振动以及轴承的润滑情况，目前这些检查工作只能使用简单的检测工 具，凭借工作人员的感观经验定性地去判断设备的运行状态是否正常，无法根据 实际运行参数定量地分析设备运行状态，评估设备的完好状态。 1 3 全员生产维修制及其4 s 活动 全员生产维修制( t p m ) 形成于日本【2 1 1 ，但起源于美国。同时还借鉴了英国 的设备综合工程学瞄之3 1 、苏联的设备计划预修制。设备管理大致经历了以下四个 阶段。 一、事后维修阶段( 1 9 5 0 年之前) 。不坏不修，坏了才修。设备故障多，维 修费用高。 二、预防维修阶段( 1 9 5 0 - - 1 9 6 0 年) 。5 0 年代初，日本引进了美国的预防维 修制度。加强对设备检查，早期发现故障，早期排除。大大降低了设备停机故障。 5 中南人学硕。i ：学位论义 第一章绪论 三、生产维修阶段( 1 9 6 0 - - 1 9 7 0 年) 。开始重视设备的可靠性与可维修 性设计。设计阶段考虑如何降低故障率，减少维修、提高设备使用寿命。 在设计时，就给予其高可靠性、高维修性，最大限度地减少使用中的维 修。 四、全员生产维修阶段( 1 9 7 0 年至今) 。全员生产维修制( t p m ) 是同本提 出的一种设备管理与维修制度。它以美国的预防维修为主，结合同本企业全面质 量管理的经验，发扬了日本管理的优点而逐步发展起来的。其中一项重要内容即 开展“4 s 活动。 “4 s ”活动是全员生产维修制的基础。“4 s 是整理( s e i r i ) 、整顿( s e i t o n ) 、 清扫( s e i s o ) 和素养( s h i t s u k e ) 这4 个词的缩写。这4 个词日语中罗马拼音的 第一个字母都是“s ，所以简称为“4 s 。以整理、整顿、清扫和素养为内容 的活动，称为“4 s 活动。 1 4 索道状态监测研究现状 1 4 1 国内索道状态监测研究现状 近年来，我国索道数量不断增加，索道运行中出现了各种问题，针对这些问 题开展了状态监测研究。 ( 1 ) 索道钢丝绳断丝监测现状 索道钢丝绳的损坏主要是磨损、疲劳断丝和腐蚀，特别是疲劳断丝和钢丝绳 接头断丝。目前，对钢丝绳断丝检测最成熟的方法是漏磁检测方法【2 4 1 。 图l _ 4 漏磁检测原理图 检测的原理是：在外部磁场的作用下钢丝绳被磁化。若钢丝绳中无缺陷，大 部分磁力线通过钢丝绳。在钢丝绳内部，磁力线分布均匀，外部只有少量的漏磁 通。若钢丝绳表面或内部存在断丝等缺陷，则通过缺陷处的磁场与磁力线发生改 6 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 变。磁力线发生泄漏，产生泄漏磁场。将漏磁场转变为电信号，信号经处理后， 可得到缺陷的位置和大小。如图1 - 4 所示。 ( 2 ) 索道车厢定位监测现状 方铭杰【2 5 】对客运索道车厢定位进行了研究，采用射频卡对车厢进行定位。 工作的基本原理：在索道支架上安装条码阅读器，将条形码粘贴在索道车厢上。 当车厢通过条码阅读器时，条码阅读器将车厢的条码信息发送到计算机，从而实 现对车厢定位。计算机与条码阅读器采用r s 4 8 5 总线连接。如图i - 5 所示。 _ ii i i l l l l l i l l l l l l l l 川 k u a m m a m l lt - s r p mh o m e p a g e 图1 5 车厢定位射频卡扫描示意图 ( 3 ) 索道掉索监测现状 杨剑【2 6 】对货运索道掉索进行了相关研究，利用光电开关监测索道钢丝绳的 掉索。 l 导向轮2 中间轴3 大平衡梁4 钢丝绳5 光电开关6 座板 图1 6 光电开关安装位置示意图 监测基本原理：光电开关发出光信号，当接收到反射信号时，即认为没有发 生掉索；当接收不到反射信号时，即认为产生了掉索，同时给控制系统发送信号 而使索道停止运行。 7 中南人学顾i ：学位论文 第一章绪论 这种监测方式在索道塔架振动较为剧烈时或天气恶劣时效果不理想；且该方 式不能识别掉索是发生在内侧还是外侧，仅能在掉索后使索道停机，不能在钢丝 绳振动较大时立即使索道减速运行或停机，因而具有一定的局限性。 1 4 2 索道振动监测传感器研究及应用现状 振动是工程中普遍存在的现象。振动传感器是利用物理效应将机械振动量转 换为电量的器件。目前常用的振动传感器主要有3 类：电涡流式位移传感器、磁电 式速度传感器和压电式加速度传感器【2 7 - 2 8 l 。 电涡流式位移传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被 测金属导体距探头表面的距离【2 9 1 。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流 传感器能准确测量被测体( 必须是金属导体) 与探头端面之间静态和动态的相对 位移变化。它具有灵敏度高、线性范围大、频响范围宽、抗干扰能力强等优点， 主要用于监测轴的径向振动和轴向位移。 磁电式速度传感器是目前较常用的一种惯性式振动传感器【3 0 1 。磁电式速度 传感器具有灵敏度高、频率范围宽、输出阻抗低的特点，适合于监测旋转机械不 平衡、不对中、轴弯曲等引起的轴承及壳体振动。 压电式加速度传感器又称压电加速度计，也属于惯性式传感器【3 1 1 。它是利 用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上 的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与 被测加速度成正比。主要用于监测轴承和壳体的绝对振动。 由于索道钢丝绳运行的特殊性，上述任何一种振动传感器均不能完全满足索 道掉索监测的需要。本科研小组与中国航空动力机械研究所( 6 0 8 所) 合作开发 了一种新型倾角传感器。使用该新型倾角传感器来监测索道大、小平衡梁的角度 变化从而间接监测索道掉索。该倾角传感器测量范围：1 。9 0 。，分辨率：l 。，适用环境温度：一2 0 。 7 0 。具有防雷、防水功能，很好地适应了山区自然 条件，满足了铜坑矿索道掉索监测的要求。 1 5 本文的研究内容和意义 1 5 1 本文的研究内容 铜坑矿现有各类设备上百种，本文对其重点设备( 井下出矿铲运机与运矿索 道) 状态控制进行了研究。 ( 1 ) 铜坑矿铲运机4 s 维护体制及其软件的建立 8 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 针对铜坑矿铲运机使用中存在的问题，通过分析铜坑矿设备管理的现状及特 殊性，吸收点检制与全员生产维修制中的4 s 活动，结合零件磨损规律和故障理论， 建立了铲运机4 s 维护体制。铲运机4 s 维护体制从制度上入手，在铲运机管理上打 破使用与维护的界限，使全体人员参加设备的维护。根据铜坑矿铲运机的磨损规 律建立了其定期维护、定期更换的周期。点检员按周期对铲运机实施点检，加强 对铲运机状态的监测，确定其检查的部位、标准、方法。从而有效掌握铲运机的 状态，指导铲运机的维护。保证铲运机能正常工作到下一个维护周期，保证铲运 机时时处于正常、可控的状态。 为保障铲运机4 s 维护体制的高效运行，综合运用先进的计算机技术、网络技 术和数据库技术建立了铲运机4 s 维护软件。 ( 2 ) 铜坑矿货运索道状态监测 针对铜坑货运矿索道存在的掉索问题，建立索道掉索在线监测系统。开发了 一种新型倾角传感器来监测索道大、小平衡梁的角度变化从而间接监测索道掉 索；采用位置传感器来判断掉索发生在塔架内侧还是外侧。针对索道设备轴承振 动问题，建立轴承振动及温度在线监测系统。通过监测轴承座壳体的振动来间接 测量轴承的振动，采用铂电阻传感器来测量轴瓦的温度。 1 5 2 研究意义 ( 1 ) 铜坑矿铲运机4 s 维护体制建立的意义 目前我国金属矿山井下设备维修仍然停留在事后维修与计划维修阶段，这两 种维修方式已不能很好适应二十一世纪我国金属矿山设备维护的需要。国家科技 部以广西华锡集团铜坑矿为示范典型，重点研究金属矿山设备维护管理。本文在 国内率先创立了铲运机4 s 维护体制。 从铜坑矿来看，铲运机4 s 维护体制能最大限度地挖掘铲运机的潜力，降低铲 运机的故障率，减少维护的盲目性，预计每年可节约维护成本2 0 0 万元。提高了 铜坑矿的工作效率和竞争力。 从全国范围来看，以现代设备管理理论为基础的铲运机4 s 维护体制很好地适 应了铜坑矿设备维护的现状，这对促进我国金属矿山设备的安全、高效运行起到 了示范作用，对我国其它金属矿山的设备维护具有重要的指导意义。 ( 2 ) 铜坑矿货运索道状态监测的意义 铜坑矿货运索道状态监测实施后，不再需要人员观察是否掉索，仅这项开支， 每年可为铜坑矿节省近百万元；可全天候进行监测，不受天气情况的影响，监测 精度高、实时性好。能够准确地发现索道掉索问题，减少掉索带来的其它损失。 9 中南人学硕l ：学位论文第一章绪论 1 6 本文的组织结构 本文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章，介绍了本文的研究背景及课题来源。论述了铜坑矿设备管理现状及 其存在的问题，介绍了本文的研究内容及意义。分析了国内索道状态监测研究现 状。 第二章，论述了铲运机4 s 维护体制的理论基础。设计了铲运机4 s 维护体 制的周期和维护内容，设计了铲运机4 s 维护体制。 第三章，针对前文设计的铲运机4 s 维护体制，利用先进的计算机技术、网 络技术建立铲运机4 s 维护体制软件。研究了i d e f 0 建模方法和模型的基本结构。 建立了基于i d e f 0 方法的软件工作流模型。 第四章，根据铲运机4 s 维护体制软件的工作流模型，采用相应的开发工具， 实现了铲运机4 s 维护体制软件相应的功能模块，研发出适用于铜坑矿重点设备 的维护软件。 第五章，对铜坑矿索道系统的固有频率和振动模态进行了研究，并计算出前 1 0 阶固有频率和振动模态。对索道掉斗、掉索情况进行了研究。对铜坑矿索道 在线监测系统进行了研究。 第六章，对本文的工作进行总结，展望进一步研究的方向。 1 7 本章小结 论述了我国金属矿山设备管理的现状及其重要性，介绍了本研究的课题来 源、研究内容、研究意义。对铜坑矿设备管理现状及其存在的问题进行了初步研 究。并分析了设备维护管理信息系统国内外研究现状、索道状态监测国内外研究 现状。 中南人学硕i ：学位论文第_ 二章铲运机4 5 维护体制设计 第二章铲运机4 s 维护体制设计 2 1 铲运机4 s 维护体制的目标 为达到铲运机生产中的状态控制，建立铲运机4 s 维护制度，拟实现如下目标： ( 1 ) 保证铲运机的各主要零部件在一个维修周期内的状态是可控的，即这 些零部件均处于无故障的正确运行状态。 。( 2 ) 保证铲运机的各项性能指标如发动机功率、液力变矩器扭矩，液压系 统压力等在一个工作周期内始终保持正常，符合要求。 ( 3 ) 铲运机所需的各项维护保养措施要及时、准确、保质、保量地完成。 为此，有必要介绍铲运机4 s 维护体制的理论基础。 2 2 铲运机4 s 维护体制的理论基础 2 2 1 零件磨损规律 所谓磨损，是指零件工作表面的物质由于相对运动而不断损失的现象。据统 计，约有8 0 的机械零件由于磨损而失效或报废，磨损不仅消耗材料，浪费能源， 而且直接影响机器的可靠性和寿命【3 2 1 。 通常情况下，一台机器的磨损，可分为三个基本阶段，其磨损规律如图2 1 所示。其中t 表示时间，y 表示磨损量。 ( 1 ) 磨合磨损阶段 图2 1 磨损曲线 t 中南人学硕i j 学位论文第二二章铲运机4 s 维护体制设计 出现在摩擦副的初始运动阶段。由于工件表面存在不平度，微凸体摩擦副的 接触面积较小，接触应力较大，因此磨损速度较快。但随着磨合的进行，摩擦表 面逐渐磨平，实际接触面积不断地增大，磨损速度逐渐减慢。 ( 2 ) 稳定磨损阶段 出现在摩擦副的j 下常运动阶段。经过磨合，摩擦表面加工硬化，微观几何形 状发生了改变，实际接触面积增大，压强降低。从而建立了弹性接触的条件，此 时，磨损已经稳定下来，磨损量隋时间增大缓慢增大。 ( 3 ) 急剧磨损阶段 由于磨损条件发生了巨大的变化( 如金属组织的变化，温度的急剧升高) ， 磨损程度急剧增加。此时机械效率降低，精度下降，振动和噪声开始出现，最终 导致零件完全失效。 由此理论可得如下结论：每个零件都是有寿命周期的，对铲运机来说，在其 磨合磨损阶段和稳定磨损阶段加强对铲运机零部件的维护保养，以尽量延长稳定 磨损阶段；到达急剧磨损阶段时，要及时更换铲运机零部件。 2 2 2 故障理论 故障失效理论认为设备故障率随使用时间的变化规律，基本遵循图2 - 2 所示 的规律，该图称为故障浴盆曲线，其中p 表示设备故障率、t 表示设备使用时间【3 3 1 。 p i 图2 2 故障浴盆曲线 ( 1 ) 早期故障期 在此期间，开始故障率很高，但随着时间的推移故障率快速下降。对于机械 产品这段时间又称为磨合期。这段时间的长短，因产品的设计与制造质量而异。 这段时间发生的故障，主要是因为产品设计、加工上存在缺陷，或者是由于使用 环境不当所造成。 ( 2 ) 偶发故障期 期间故障率基本处于稳定状态。在这段时间，故障发生是随机的。设备的故 中南人学硕l ：学位论文第_ 二章铲运机4 s 维护体制驶汁 障率最低，而且相对稳定。这是设备的证常工作期或者称为最佳状态期。这段时 间称为有效寿命。故障大多由设计、使用不当及维护不力导致。因此通过提高设 计质量、加强使用管理、改进状态监视与维护保养等工作，可使设备故障率大幅 降低。 ( 3 ) 耗损故障期 设备使用后期，由于零部件的磨损、疲劳、腐蚀等导致设备故障率逐渐上升。 若在此期间的初期对设备进行大修，可有效地降低设备故障率。 由设备故障率变化规律可知，设备的故障是由于零部件失效( 包括性能不 达标和损坏) 造成的，只有加强零部件的状态控制才能保证设备的状态。 2 3 铲运机4 s 维护体制设计 根据全员生产维修制全员参与的理念，铲运机4 s 维护体制的建立要求上至矿 长下至操作工、维修工的所有人员参与。 2 3 1 铲运机维护周期结构设计 由上述理论分析可知，建立了铲运机4 s 维护体制的关键是制定铲运机零部件 的维护周期结构。维护周期是指在保证设备正常运行状态下，从一次维护到下一 次维护的时间间隔。 维护周期过长，有可能会漏掉故障，不能保证铲运机正常运行到下一个维护 周期，甚至会导致重大事故的发生。相反，维护周期过短，会加大铲运机维护工 作量，增加维护成本。 由零件磨损规律( 图2 - 1 ) 可知，设备零部件由稳定磨损阶段进入急剧磨损 阶段的拐点可以作为制定维护周期的参照。根据这一理论，结合铜坑矿铲运机在 生产现场的使用状况，综合厂家提供的维修周期制定铲运机4 s 维护体制的维护周 期。 铜坑矿铲运机现场使用情况是：平均每使用约1 2 0 d 、时需要更换柴油机机油； 平均每使用约为1 3 0 d 、时需要对