（机械电子工程专业论文）基于labview的矿井提升机运行状态监测与故障预警系统研究.pdf

分类号：i 旦塑 u d c ：6 2 2 工学硕士学位论文 密 级： 坌珏 单位代码： ! q q 2 鱼 基于l a b v i e w 的矿井提升机 运行状态监测与故障预警系统研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 ：袁泮泉 ：于治福教授 ：工学硕士 ：机械设计及理论 ：机电工程学院 ：河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t u d yo fc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n d f a u l t w a r n i n gs y s t e m o fm i n eh o i s tb a s e do n l a b v i e w c a n d i d a t e s u p e r v i s o r a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t ：y u a l lp a n q u a n ：p r o f y u z m m ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ：c o l l e g eo fm e c h a n i c a l & e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g j u n 2 0 1 2 独创性声明 ， ：人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 。2 ：王发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名：鼋洋察签字日期： 嫩年 6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦三猩盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦墨猩盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 鼋津泉 j 北栖 签字同期：五啦年 1 月同 签字h 期：2p 尼年f 月fr 摘要 摘要 随着现代工业的发展，设备的安全运行越来越重要，对设备的安全监测日益 受到人们的重视。矿井提升机作为矿山企业生产中最重要的大型设备之一，它担负 着提升矿物、提升矸石、升降人员、设备及材料等任务，是煤炭、冶金矿山生产 运输的主要工具，素有矿井“咽喉”之称，因此保证矿井提升机的正常进行就显 得尤其重要。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响 整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。所以，矿井提升 机正常、安全可靠地运行，对整个矿山企业的经济效益有很大影响。鉴于矿井提 升机在矿山的重要性，对其进行监测就具有十分重要的意义。传统的矿井提升机 监控系统集成度不高，工作效率低，不符合现代化监控的多功能要求，而且在监 控过程中对出现的故障也没有什么应对措施。随着计算机软硬件技术和计算机辅 助测试技术的发展，特别是伴随着虚拟仪器技术的出现，将先进的虚拟仪器技术 应用到矿井提升机运行状态监测与故障预警系统中是提升机监控系统的发展方 向。本课题运用先进的虚拟仪器开发平台一l a b v i e w 、实现信号采集功能的传感 器、n ip c i e 6 3 2 3 多功能数据采集卡等，开发了一套基于l a b v i e w 的矿井提升机 运行状态监测与故障预警系统，使其安全性、可靠性、自动化水平都达到新的高 度，保障了提升机的安全运行。本文所做的主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 以先进的虚拟仪器技术为指导，应用图形化测控软件l a b v i e w 开发了提 升运行状态监测与故障预警系统。系统具有数据采集、数据处理、数据实时显示、 数据存储、数据查询、报告打印、参数设置、曲线显示等功能。 ( 2 ) 介绍了监控系统的硬件设计和软件设计。硬件设计方面主要研究了监控系 统的硬件组成，包括传感器、数据采集卡、信号调理装置的选用以及系统抗干扰 措施等；软件设计方面则主要对系统功能进行了划分，采用模块化、结构化、集 成化、主模块调用子模块的设计思想进行编写，并充分考虑系统容量的可扩展性 和系统功能的可扩充性。 ( 3 ) 监控系统实现了提升容器位置的实时显示，对液压站油压、油温、制动闸 间隙及电枢电流等进行监测，对设备出现的故障给予报警并给出维修建议，对监 测内容进行查询时，可以打印监测报告。 关键词：矿井提升机；虚拟仪器；监控系统；l a b v i e w a b s t r a c t a b s t r a c t m i n eh o i s ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tl a r g e s c a l ee q u i p m e n ti nm i n ee n t e r p r i s e p r o d u c t i o n ，i tu n d e r t a k e st h et a s k so fa s c e n d i n gm i n e r a l s ，w a s t er o c ka n dl i f t i n g p 谢s o m l e l ，e q u i p m e n ta n dm a t e r i a l s ，i t i sm a i nt o o l sf o rc o a l ，m e t a l l u r g i c a lm i n i n g p r o d u c t i o na n dt r a n s p o r t ，k n o w na sm i n e ”t h r o a t ”s a i d ，t h e r e f o r eg u a r a n t e e t h en o r m a l o p e r a t i o no fl i f t i n gs y s t e mi se s p e c i a l l yi m p o r t a n t 。t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fh o i s t s d i r e c t l ya f f e c tn o to n l yt h ew h o l ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo ft h em i n e ，t h ee n t i r em i n e e c o n o m i cb e n e f i t s ，b u ta l s ot h el i f es a f e t yo fo p e r a t i n gp e r s o n n e l t h e r e f o r e ，t h em i n e h o i s tn o r m a l l yo p e r a t es a f e l ya n dr e l i a b l y ，h a v eag r e a ti m p a c to nt h ee c o n o m i cb e n e f i t s o fm i n i n ge n t e r p r i s e s d u et ot h ei m p o r t a n c eo ft h em i n eh o i s ti nt h em i n i n gi n d u s t r y ，i t h a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et om o n i t o r i n gt h em i n eh o i s tf o rh o i s t t r a d i t i o n a lm i n e h o i s tm o n i t o r i n gs y s t e mh a st h es h o r t c o m i n g so fp o o ri n t e g r a t i o na n dl o we f f i c i e n c y ，i n a d d i t i o nt oi td o e sn o tm e e tt h em u l t i f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fm o d e r nm o n i t o r i n ga n d h a sn or e s p o n s et of a i l u r e so fm i n eh o i s ti nt h e m o n i t o r i n gp r o c e s s w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h et e c h n o l o g y o fc o m p u t e ra i d e dt e s t i n g ，e s p e c i a l l yt h ee m e r g e n c eo fv i r t u a li n s t r u m e n t s ，i ti sa p p l i e d t om i n t ：h o i s tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l tw a m i n gs y s t e m ，t h i sw i l lb et h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h em i n eh o i s tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m t h i sp a p e rh a s d e v e l o p e dam i n eh o i s tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l tw a r n i n gs y s t e mb a s e do n a d v a n c e dv i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r m l a b v l e w ，s e n s o r s ，n ip c i e - 6 3 2 m u l t i f u n c t i o n a ld a qa n ds oo n t h el e v e lo fs a f e t y , r e l i a b i l i t ya n da u t o m a t i z a t i o nh a v e a r r i v e da tan e wa l t i t u d e ，a n de n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h em i n eh o i s t t h em a i nw o r k d o n ei nt h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) g u i d e db yt h ea d v a n c e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e ra p p l i c a t e d l a b v i e wt h a ti sg r a p h i c a lc o n t r o ls o f t w a r eh a sd e v e l o p e dam i n eh o i s tc o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l tw a r n i n gs y s t e m t h es y s t e mh a sf u n c t i o n so f d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a p r o c e s s i n g ，d a t aa n a l y s i s ，d a t ar e a l - t i m ed i s p l a y ，d a t a s t o r a g e ，d a t aq u e r ya n dp r i n t o u to f r e p o l t s ，p a r a m e t e rs e t t i n g s ，c u r v es h o w s a n ds oo n ( 2 ) i n t r o d u c e dm o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r e d e s i g nm a i nr e s e a r c h e d h a r d w a r ec o m p o n e n t so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n g s e n s o r s ，d a q ，t h es e l e c t i o no fs i g n a lc o n d i t i o n i n gd e v i c e s ，a n t i - j a m m i n gm e a s u r e sf o r s y s t e m s o f t w a r ed e s i g nm a i nd i v i d e ds y s t e mf u n c t i o n s ，p r o g r a m m e db ya d o p t e dt h e a b s t r a c t i d e ao fm o d u l a r i z a t i o n ，s t r u c t u r e d ，i n t e g r a t i o n ，m a i nm o d u l ec a l l st h es u b - m o d u l e ，a n d f u l l yc o n s i d e rt h es c a l a b i l i t yo fs y s t e mc a p a c i t ya n df u n c t i o n s ( 3 ) m o n i t o r i n gs y s t e mi m p l e m e n t sar e a l t i m ed i s p l a yo ft h eh o i s tc o n t a i n e r l o c a t i o n ，m o n i t o r sh y d r a u l i cs t a t i o no i lp r e s s u r e ，o i lt e m p e r a t u r e ，b r a k ec l e a r a n c e ， a 崩 a a t u r ec u r r e n t ，a n d g i v e s t h ea l a r mo ne q u i p m e n tf a i l u r ea n dt h em a i n t e n a n c e r e c o m m e n d a t i o n s w h e nq u e r yo nt h ef a u l tc o n t e n t ，s y s t e mc a np r i n ti t k e y w 曲r d s ：m i n eh o i s t ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；l a b v i e w 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 。1 课题背景及意义1 1 2 国内外发展现状和发展前景2 1 3 课题主要内容3 1 4 课题主要意义4 1 5 本章小结5 第2 章矿井提升设备简介6 2 1 矿井提升设备的组成6 2 2 矿井提升机的构成7 2 3 矿井提升机的常见故障与监测内容7 2 3 1 矿井提升机的常见故障8 2 3 2 矿井提升机的监测内容9 2 4 矿井提升设备的运动学计算1 0 2 4 1 矿井提升设备的运行规律1 0 2 4 2 提升加速度的确定一1 1 2 4 3 提升减速度的确定1 2 2 5 本章小结1 4 第3 章虚拟仪器及l a b v l 酬1 5 3 1 虚拟仪器的原理及系统15 3 1 1 虚拟仪器的概念15 3 1 2 虚拟仪器的硬件系统15 3 1 3 虚拟仪器的软件系统1 6 3 1 4 虚拟仪器的开发系统1 7 3 1 5 虚拟仪器的形成1 7 3 2 虚拟仪器的特点1 8 3 3 虚拟仪器的设计步骤18 3 4 虚拟仪器软件开发系统一l a b v le w 1 9 3 5 本章小结2 1 第4 章系统的硬件设计2 2 4 1 系统监测原理及功能2 2 4 2 系统的硬件设计2 3 4 2 1 传感器2 3 4 2 2 信号调理装置2 5 4 2 3 数据采集卡2 5 4 2 4 工控机2 6 4 3 系统的抗干扰设计2 7 目录 4 3 1 干扰及干扰模式2 7 4 3 2 抗干扰设计2 8 4 4 本章小结2 9 第5 章系统软件模块开发设计与实现3 0 5 1 系统功能3 0 5 2 系统软件设计3 0 5 3 系统构成3 0 5 3 1 系统登录界面。31 5 3 2 系统主界面3 3 5 3 3 信号采集模块3 7 5 3 4l a b vle w 数据采集模块分类4 1 5 3 5 生产者一消费者模型4 3 5 3 6 数据存储模块4 6 5 3 7 数据查询模块4 7 5 3 8 打印报告模块4 7 5 3 9 参数设置模块一4 9 5 3 1o 曲线显示模块4 9 5 3 11 系统退出模块4 9 5 4 本章小结5 0 总结5 1 致谢5 2 参考文献5 3 作者简介5 6 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果5 6 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 煤炭资源是非常重要的生产能源，对国民经济的发展有着重要而深远的影响。 煤炭资源的开采主要是由矿山企业来完成的，国家对矿山企业的安全生产越来越 重视，要求矿山企业一定要保障井下工作人员的生命安全。矿井提升机作为矿山 企业最重要的大型提升设备，它的安全运行直接关系着矿山企业的生产效益。很 长一段时间以来，各个国家都对矿井提升设备有着极为严格的安全规范操作要求， 都极为重视并且对矿井提升机的安全保障做了很多技术上的保障。目前我国矿山 企业对提升设备的安全保障大部分是通过周期性的定期检查维修来进行的，这种 保障方式具有很大的滞后性，基本上是提升设备有故障了，人们才去进行维修。 在长期运用这种思想来保障提升设备的安全的期间，人们发现这种思想存在着很 大的缺陷：提升系统的安全可靠光靠事后维修是得不到有效保障的，提升机在运行 过程中出现的突发故障对于工作人员来说，是非常危险甚至致命的；经常性地拆 装提升机，对于其性能的稳定性肯定也会造成影响的；繁琐的定期维修很容易造 成“过剩维修”或“欠维修”耗费了工作人员的大量时间和精力，给矿山企业造 成巨大的经济损失，更不能避免提升设备在运行过程中的突发故障。所以从保障 提升设备安全可靠运行的必要性出发，这种“定期全面检修”思想显然与己矿山 企业安全生产的要求是不相适应的。 提升机是一个系统，是煤矿四大件之一，是矿山工业的咽喉设备，安全可靠 性问题是提升系统的首要问题。在我国大部分矿山企业，矿井的主产量就是由提 升系统的提升量来决定的。从生产实践中发生的故障和事故所反馈的资料表明， 除了一些因为与系统和产品设计结构不完善有关和质量及安装有关故障和事故 外，其他大多数归结于管理体制、人员素质等方面，如：违反操作规程、操作失 误、调整不及时等等原因。更为严重的是，有的明知提升机有了故障，照理应立 即停车，采耿消除措施，但少数部门仅考虑加紧生产，不采取消除的措施，带问 题使用。更为甚者，根本就不清楚提升机的安全操作规范，对闸l i l _ = 与闸轮之问的 问隙要求( 最小o 5 r a m ，最大2 r a m ) 根本就不清楚或不重视，经常任意的调整二 者之问的问隙，这是非常严重的问题。 河北：【：= 程大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状和发展前景 提升机的运行状态监测与故障预警技术的发展可分为以下几个阶段【1 】： 第一阶段：主要是通过具有多年提升机操作经验的工作人员或专家在现场观 察、收听提升机各个工作部分运行时所产生异常现象或声音，如电动机振动、提 升时发出不正常的声音等，或者是对到现场对提升机工作时的温度进行测量，察 看温度是否过高，推测故障隐患及确定哪里出现故障。 第二阶段：测量技术及测量仪器不断发展，具有先进采集功能的传感器不断 涌现，状态监测与故障诊断发展为依靠传感器采集提升机运行时各工作部分的振 动、温度等参数并记录，与各工作部分的固有参数进行比较，确定故障隐患和故 障位置。对传感器的基本要求是：能检测出反映提升机运行状态的振动、温度、 位移、转速、闸间隙等各种能量形式的信号；对被测系统的能量吸收很小，对被 测设备无影响尽可能近的接近提升机各个零部件工作的核心部位；能够对相关部 件的振动、温度等信号作出全面完整的描述。 第三阶段：随着计算机软、硬件的不断发展，提升机运行状态监测与故障预 警技术进入计算机时代，具有测量、采集、记录、简单数据分析处理功能的监测 硬件不断出现，如数据采集卡。计算机也具有了强大的数据处理功能的软件，如 l a b v i e w 。将数据采集卡与专门的数据处理软件通过专门的通讯线连接起来，处理 软件就能对采集到的数据进行分析处理，并能显示提升机的性能运行曲线，如速 度变化曲线、加速度变化曲线、油压变化曲线等。还能与计算机上的专家库系统 进行比对，确定故障隐患和故障位置。 第四阶段：随着网络技术的不断发展，提升机运行状态监测以故障预警技术 进入到深度、广度共同发展的时期。提升机故障诊断方法的研究是这个时期的重 点，监测的参数也不再仅仅局限于振动，已发展到扭矩、功率等；得益于网络技 术的发展，可以形成监测诊断网络，提升机在这个阶段可以进行异地监测。 对提升机监控系统的研究国内外都做了一些工作，a b b 公司、g h h 公司和 s i m a g 公司在提升机监控系统方面的研究工作最富有成果，它们已实现制动盘过 热、变形、闸瓦磨损、闸瓦间歇、制动弹簧断裂的在线监测。 以瑞典a b b 公司的提升机安全保护系统为例，这个庞大的以计算机网络为基 础的提升机安全保护系统的构成部分主要包括主控计算机( a b bm a s t e rp i e c e 2 0 0 1 ) 、彩色监视系统计算机( m a s t e rv i e w8 1 0 1 ) 、速度环和电流环控制计算 机及电机拖动系统，网号为n e t 一1l 。实现对整个提升系统的运行控制、状态监测 和安全保护。 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代初期，我国在该领域的研究开始起步。近年来，部分高校和科研 单位在设备运行状态监测与故障诊断系统的研究也取得一些可喜的科研成果。如 中国矿业大学的k t d 型旋转铁谱仪及计算机磨屑图象分析系统、重庆大学的 c d m s 故障诊断与模态分析系统等。由中国矿业大学研制的a s c c 型全数字提升 机坊制系统、k j 4 6 型矿井提升机状态监护系统是在提升机运行状态监测与故障预 r 一儿弓面富有代表性的研究成果，它们都能对提升机的运行状态进行监测，并 且具有故障诊断、制动失灵保护、过卷保护、超速保护功能。 矿井提升机的运行状态监测与故障预警系统的发展趋势是：要求系统本身就 具有较高兼容性、具有智能化白检功能、能实现监控信息网络化等，总体是朝着 多功能性、集成性、多媒体方向发展【2 j 。近几十年来，计算机技术、网络通信技术 的都有了长足的发展和进步，特别是虚拟仪器技术的突飞猛进，为提升机的运行 状态监测与故障预警系统向虚拟器方向发展，奠定了技术基础。虚拟仪器强大的 软件功能可以替代传统仪器完成数据采集、分析、处理、存储、显示等任务，通 过配置以获取调理信号为目的i 0 接e l 设备，实现不同的测量、测试功能软件对采 集获得的信号进行分析与处理。“软件即仪器的概念将逐渐被应用于提升机运 行状态监测与故障预警技术，与传统仪器相比，虚拟仪器的经济性、灵活性和可 扩展性等方面都有独特的优势。基于l a b v i e w 的矿井提升机运行状态监测与故障 预警系统将慢慢成为矿井提升机工作状态监测的主流系统，有很大的应用前景和 空间。 1 3 课题主要内容 本论文以深入研究矿井提升机的各种常见故障为基础，开发出一套集信号采 集、数据处理、曲线显示、监测报告打印、故障预警于一体的多任务信号处理系 统。主要内容包括： ( ) 了解提升机的常见故障，确定相应的监测参数和监测位置，安装传感器， 以便进行数据采集： ( 2 ) 基于l a b v i e w 开发一套多任务信息处理系统，包括：信号的采集与处 理、数据的存储与查询、各模块之间的逻辑关系； ( 3 ) 实现对提升容器位置的实时显示； ( 4 ) 实现对提升机的提升速度、加速度、减速度的全程监测； ( 5 ) 实现对液压站油压、油温、制动闸问隙的监测； ( 6 ) 实现对电动机、减速器轴承温度、齿轮振动情况的监测； ( 7 ) 实现对电动机电枢电流的监测： 河北工程大学硕士学位论文 ( 8 ) 能够对超过参数设定最大值的监测值进行报警，并给出维修建议； ( 9 ) 能够把上次测得的数据和曲线归零，即具有置零功能； ( 1 0 ) 能够显示提升速度曲线、加速度变化等曲线， ( 1 1 ) 能够保存和查询历次监测结果，并且可以打印出来。 1 。4 课题主要意义 矿井提升机作为矿山企业最重要的提升设备，因此要选择合理的运行参数使 其工作。如果某个监测系统能够实时地监测提升机工作时的主要运行参数，并且 能够将这些参数显示出来，以便工作人员查看这些参数，通过参数的变化来了解 提升的实时运行状态，而且能够对出现的故障进行报警并指出故障原因或位置， 工作人员及时对报警信息作出处理，那么将会大大减少故障检修时间，对于矿山 企业提高工作效率会有很大的帮助。因此，开发一套简单适用的提升机运行状态 监测与故障预警系统是非常必要的。通过提升机的运行状态监测与故障预警技术， 实现提升机的“状态维修”，对于矿山企业提高生产效率、保障井下人员和提升 的安全，提高提升机的管理和维护水平，具有十分重要且深远的意义。主要表现 在： ( 1 ) 对矿井提升机在运行过程中的突发故障能够及时报警并作出相应的处 理，减少因提升机停止运行而造成的巨大人员伤亡和经济损失； ( 2 ) 工作人员能够随时掌握提升机运行的主要参数，便于安全正确地操作提 升机； ( 3 ) 科学安排维修计划，根据系统所提供的故障隐患和故障位置对提升机进 行维修，不用再进行繁琐的周期性定检维修，避免“维修过剩”和“欠维修”。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编 程语言) 的虚拟仪器软件开发工具，是目前国际上通用的虚拟仪器开发系统，也 是应用最广泛的开发软件之一，主要用于数据采集、数据处理、数据显示、数据 存储等领域，对操作系统并没有什么特别的要求，只要软硬件的配置都达到能使 其运行的最低要求即可，适用于w i n d o w s 、m a c i n t o s h 、u n i x 等多种操作系统平台 1 3 1 。l a b v i e w 采用g 语言编程，具有编程方便、人机交互界面直观友好、开发周 期短，高效性、丌放性、自定义性、性价比高、一机多用的特点，并且具有完善 的仿真、调试工具。 基于l a b v i e w 的提升机运行状态监测与故障预警系统与别的提升机监控系统 相比，具有以下特点： 第1 章绪论 ( 1 ) 系统支持w i n d o w s 操作系统，在硬件配置达到要求的普通计算机上就能 运行，不用专门的硬件来运行系统，减少了矿山企业在这方便的投入； ( 2 ) 系统对采集到的反映提升机状态的振动、温度、油压、速度等运行参数 的处理、分析、存储和查询等方面具有不可比拟的优势； ( 3 ) 系统可以将提升机各工作部分的运行参数在前面板显示出来，同时对超 过预警值的参数进行报警，并给出维修建议，人机界面直观友好； ( 4 ) 系统开发人员能够根据各矿山企业对提升机的具体监测要求进行专门的 软件设计，只需要在程序框图面板用连线功能将各个功能模块按照正确的连线规 则连接，即可实现具体的监测功能； ( 5 ) 系统的功能增删变得非常方便，不用再进行专门的程序设计，维护简单、 方便、快捷； ( 6 ) 系统监控参数得到有效增加，能更好地反映提升机的运行状态； ( 7 ) 系统软件开发时间缩短4 6 倍。 本系统通过对提升机运行状态的监测，能够使矿山企业的提升机很好地进行 安全生产，大幅降低因提升机故障而造成的经济损失。相对于其它价格昂贵的系 统，本系统的应用对于中小煤矿生产企业的降低生产成本具有十分重要的意义。 1 5 本章小结 本章介绍了课题的研究背景和意义，简述了国内外矿井提升机运行状态监测 与故障预警测试技术的发展现状和发展前景，说明了开发一套简单、适用中小煤 矿的监控系统的必要性，介绍了课题的研究内容，最后阐述了课题的研究意义。 河北工程大学硕士学位论文 第2 章矿井提升设备简介 2 1 矿井提升设备的基本组成 矿井提升设备通常被看做为一个完整的提升系统，其主要组成部分有：提升 机、提升主钢丝绳、提升容器( 箕斗、罐笼、矿车) 、天轮( 在塔式摩擦提升时 是导向轮) 井架( 在塔式摩擦提升时是井塔) 、罐道( 在斜井提升时轨道) 、井 筒和井简装备、装载设备( 在罐笼提升时是进车装置) 、卸载设备( 在罐笼提升 时是出车装置) 、井底装置等【4 j 。以单绳缠绕式矿井提升系统为例，说明矿井提升 设备的组成，如图2 1 所示。 卜缠绕提升机；2 一提升机房：3 一钢丝绳；4 人轮；5 底卸式箕斗；6 一卸载曲轨；7 - 0 。仓； 8 井架；9j 卜筒：l0 罐笼叫司窀：1 1 矿仓；12 一装载闸i 、j l 冬i2 1 单绳缠绕式矿井提升设备 f i g 2 lm i n eh o i s t i n ge q u i p m e n to fs i n g l er o p ew i n d i n g 第2 章矿井提升设备简介 2 2 矿井提升机的构成 矿井提升设备的核心组成部分是提升机。当前，我国生产的提升机的结构形 式主要有多绳井塔摩擦式、多绳落地摩擦式、单筒单绳缠绕式、双筒单绳缠绕式 等形式。除此以外，若提升机用于井下，则有液压传动式提升机。提升机的拖动 方式则是根据矿山企业的具体要求来进行设计。单绳缠绕式提升机和多绳摩擦式 提升机是我国目前最常用的两种提升机结构形式。本文以多绳摩擦式提升机为例， 来说明矿井提升机的构成。 矿井提升机的主要构成部件有：工作机构、机械传动系统、电力拖动和微拖 动系统、制动系统、观测和操作系统、天轮( 导向轮) 、保护系统等【5 】。 1 工作机构 工作机构是指提升机的主轴装置。主轴装置在多绳落地摩擦式提升机与多绳 井塔摩擦式提升机在结构上是不同之处的：前者是双绳槽摩擦衬垫，而后者是单 绳槽摩擦衬垫。主轴装置的主要组成零部件有主轴、摩擦轮、滚动轴承、轴承座、 轴承盖、轴承梁、摩擦衬垫、固定块、压板、夹板、高强度螺栓组件等。除了提 升机的全部转矩需要由主轴装置来承担以外，摩擦轮两侧的钢丝绳拉力也需要由 其来承受。 2 机械传动系统 减速器、联轴器共同构成提升机的机械传动系统。减速器的作用是传递运动 和动力，它不仅将电动机的输出转速转化为提升卷筒所需的工作转速，而且将电 动机输出的转矩转化为提升机卷筒所需的工作转矩。提升机主传动系统通常采用 齿轮联轴器、蛇形弹簧联轴器、弹性棒销联轴器三种结构形式，提升机的旋转部 分连接在联轴器上。主轴与减速器的连接常采用齿轮联轴器，减速器与电动机的 连接常采用蛇形弹簧联轴器。 3 电力拖动和微拖动系统 电力拖动系统、微拖动装置、电控系统共同构成提升机的电力拖动和微拖动 系统。微拖动装置主要由电动机、减速器、空气系统、换向阀、气囊离合器、测 速发电机装置等组成，主要用于提升机在爬行阶段获得稳定的低速度，以保证提 升容器在卸载点停车位置的准确停车，另外还用来检查井筒、钢丝绳、更换钢丝 绳、加工制动盘以及其他需要低速拖动的工作。电控系统大多数都采用速度、电 流双闭环的控制系统。 4 制动系统 当前，油压盘形闸制动系统广泛应用于国产j k 系列提升机。制动器、液压站 共i 司构成提升机的制动系统。制动器分为盘形制动器和块闸制动器，工作方式为 河北工程大学硕士学位论文 直接作用在制动盘( 轮) 上，其主要作用是产生制动力矩；液压站的作用是通过 调节油压以获得不同的制动力矩，为盘形制动器提供足够的压力油，实现制动器 的工作制动和安全制动。制动系统的主要作用：在提升机工作过程中，能及时有 效地实现工作制动，使提升机能够被安全可靠地闸住；在提升机有过卷、提升速 度过高、电流欠压等突发状况发生时进行安全制动。此外，对双卷筒提升机来说， 在进行调绳、更换钢丝绳等操作时，应能闸住活卷筒、松开死卷筒。 5 观测和操作系统 深度指示器、操作台共同构成提升机的观测和操作系统。深度指示器的作用： 指示提升容器在井筒的运行位置；当提升容器接近停车位置时发出减速信号；当 提升容器过卷时，推动装在深度指示器上的终嵌开关，切断安全保护回路，进行 安全制动；在减速阶段，通过限速装置进行过速保护【7 1 。操作台装有两个手把，一 个是左手的制动手把，用来操纵制动器，以实现抱闸或松闸的目的；另一个是右 手的操纵手把，用来控制主电动机的启动、停止和正反转，使主电动机转子回路 接入或切断电阻而使提升机实现减速或加速。 6 天轮( 导向轮) 天轮( 导向轮) 分为井上固定天伦、凿井及井下固定天轮、游动天轮三种， 其安装在井架上，作用是支撑、引导钢丝绳转向。天轮的结构形式按直径的大小 分为整体铸钢结构( 直径小于3 0 0 0 m m ) 、模压焊接结构( 直径等于3 5 0 0 m m ) 、 模压铆接结构( 直径等于4 0 0 0 m m ) 三种类型。天轮( 导向轮) 用于提升机装配时， 所需个数应根据提升机所配钢丝绳根数和绳距来确定，一个为固定轮，剩余其它 为与轴有相对转动的游动轮。 7 保护系统 为了确保提升机能及时地进行安全制动和紧急制动在其发生故障时，提升机 的电控系统中都设有联锁和保护装置。当前，矿山企业提升机采用的调速方式多 为通过绕线式交流电动的转子外加金属电阻的来实现的。 2 3 矿井提升机的常见故障与监测内容 2 3 1 矿井提升机的常见故障 矿井提升设备的常见故障如下： ( 1 ) 主轴装置故障，主要是主轴轴承温度过高、轴承振动过大； 第2 章矿井提升设备简介 ( 2 ) 机械传动系统故障，包括减速器齿轮响声和振动过大、齿轮打牙断齿、 齿轮磨损过快、轴承温度过高、减速器漏油及箱体变形、蛇形弹簧联轴器的弹簧 片折断等； ( 3 ) 电力拖动和微拖动系统故障，包括电动机启动响声大、振动过大、轴承 过热、切断电源后电动机振动、微拖力矩不够、气囊离合器不能打开、低频发电 不足等； ( 4 ) 制动系统故障，包括闸瓦局部过热、闸瓦间隙超过2 m m 、工作闸已扳到 极限位置，闸松得慢且不能完全松开、闸盘端面摆偏量过大、制动力矩不足、液 压缸漏油、液压站残压过大、油压波动不稳等； ( 5 ) 其余系统故障，包括卷筒出现响声、卷筒皮裂缝、卷筒轮毂松动、天轮 轴断、深度指示器不动作或指示不正确等； 由此可见，很多系统的故障都可以通过温度与振动信号的变化反应出来，因 此可以通过实时监测温度与振动这两个信号的变化来实现对矿井提升机的运行状 态监测，监测到某一信号的不正常变化后进行报警。 2 3 2 矿井提升机的监测内容 在提升机工作过程中，通过传感器将电动机、液压站、制动闸等零部件在运 行过程中所反映出来的转速、振动、温度、压力、闸间隙等特定物理信号转化为 电信号或其余相关信号后，送入信号处理系统，对这些经过转化的信号进行分析 处理后，通过相应的处理软件将能够反映提升机运行状态的这些特定参数显示、 记录，若发现有不正常的参数后则进行报警，这样就实现了对提升机运行状态的 监测与故障预警。根据提升机的常见故障，确定提升机的监测内容如下： ( 1 ) 提升机运行状态，包括上升高度、下降高速，根据提升高度的变化和运 行时间，可以计算出提升速度，根据提升速度的变化和运行时间，可计算出加减 速度。 ( 2 ) 主轴装置，包括主轴轴承温度、轴承振动加速度等； ( 3 ) 机械传动系统，包括减速器轴承温度、轴承加速度等； ( 4 ) 电力拖动和微拖动系统，电动机轴承温度、轴承振动加速度、电枢电流 等； ( 5 ) 制动系统，包括闸瓦间隙、闸瓦温度、液压站油温、油压等。 河- i l ；l 程大学硕士学位论文 2 4 矿井提升设备的运动学计