矿井提升机主轴实时监测与故障诊断系统研究

一、设备故障诊断的必要性

       随着社会的进步和现代生产的飞速发展，机械的结构日益复杂，功能更加完善。但是由于很多不利因素的存在，设备故障不可避免的出现，导致了机器降低功能或者功能失效。

       目前主要由两个方面来决定设备运行的可靠性与安全性，首先是完成生产中设计和制造的性能要求，采用可靠的设计方法和具有安全性的措施；然后就是实现关于设备的运行管理和诊断的有关举措。目前，对设备进行监测诊断已经变成保证设备稳定运行的必要途径。对机械设备进行故障监测和诊断，能提前对出现的异常情况或者故障得出诊断结果，进而实现对运行故障的预防和消除。对设备的运行进行一定的引导，将故障损失降至{**}低，设备的运行更加安全可靠，促使设备达到{**}大的生产能力，使其工作寿命得到延长。通过状态监测和故障分析，还能为设备提供关于结构改造设计、优化及制造有用的信息。

       伴随着传感信息技术、信号处理技术、微型电子技术、计算机技术及现代控制测量技术等学科的迅猛发展，各类机械设备都已经开始在诊断方面广泛应用故障诊断技术，而且国家相关部门和不少企业及科研单位都将精力倾注在设备故障监测和诊断技术上。

二、提升机主轴主要故障形式

1、不平衡

       转子的不平衡是旋转机械运行中经常出现的故障。安装在转轴上的各种零部件，因为材料质地的不均匀，制造过程中产生的误差，装配过程中的偏心，以及在运行中造成的磨损与变形，黏着物体的不均匀分布等都可能使转子部件出现偏移质心的现象，这些都是造成不平衡振动的原因。

2、不对中

       当轴承圈体配合出现间隙，支承座出现变形，轴承座安装质心出现不同轴等，都将导致转子的不对中。转子不对中现象出现时，弯曲力矩将随之产生，轴承此时会承受一定的变动载荷，其上的负荷也会分布不均，{**}终这些因素将导致设备出现剧烈的振动，所造成的后果包括转轴的破损、轴承裂纹的产生、安装螺栓的断裂、转动部件之间的磨损等[12]。

3、轴裂纹

       转轴在运行过程中，如果处在动载荷的工作环境下，会使轴出现疲劳损伤，造成裂纹的出现；假如在设计制造中，转轴本身由于加工失误或环境侵蚀，这些原因都将致使裂纹故障的发生。

4、摩擦

       一般是指转子部件之间运行时所产生的碰磨现象。径向摩擦是生产中主要的摩擦形式，端面摩擦的状况一般很少出现。前者故障很普遍，例如定子和转子之间的摩擦，转子与隔板的摩擦，轴承圈体与轴承座之间的摩擦，以及由于安装因素造成的转子和其它部件产生的摩擦等。

三、系统设计概述

      基于对矿井提升机主轴运行状态所设计开发的，系统能对主轴进行监测，并对可能会发生的故障进行诊断，所以在进行系统设计时，必须考虑使系统能达到规定的要求。

1 、系统的设计要求

       为了可以使故障监测诊断系统能有效地对主轴进行状态监测，对其诊断可能发生的故障，系统应该达到如下要求：

       (1）、系统能进行数据高速实时采集，达到不遗漏设备状态的信息的要求。同时能对采集的数据进行存储，用来更进一步对故障信号进行分析，提取振动信号的特征，对主轴故障的位置及程度做出诊断。

       (2）、在运行过程中，系统能对主轴设备状态进行实时监测，对设备运行状态进行初步诊断，实现设备故障有无的判断，并在出现故障时进行报警。

       (3）、系统要能对故障信号分别运用不同方法，从多角度进行分析，准确提取故障信号的特征，给主轴设备的诊断提供依据。

2、系统的设计原则

      在系统设计的过程中，不仅要保证系统达到诊断主轴故障的要求，同时还要遵循必要的设计原则，使系统在实现功能的情况下，其操作、维护尽量变得简单，保证系统性能可靠、稳定。

本系统在进行设计时，要尽量遵循以下的设计原则：

      (1）易操作性。由于系统用户在运用计算机方面水平存在差异，系统界面在设计时就要尽量的友好，操作尽可能的简单。因此在系统设计时要多采用按钮、组合

框等简单操作的控件，使用户在使用时一目了然。

      (2）可维护性。为了易于系统用户了解内部过程和软件结构，系统在设计的时候，编写程序要保持良好的程序设计风格，尽可能采用结构化设计和模块化程序结构；同时在模块间尽量采用低耦合、高内聚的设计思路，便于维护系统。

      (3）安全性。当采集的数据不符合要求理或者系统出现故障时，程序应有一定的抗干扰能力，避免系统出现运行错误或者瘫痪。

四、系统设计主要结构组成

        主轴状态监测及故障诊断系统主要是对振动量、振动的频谱和能量分布进行测 定，再进行实时采集，运用 LabVIEW 建立的软件系统进行监测与诊断分析。故障诊断系统由硬件与软件两大部分构成。硬件部分由加速度传感器、旋转编 码器、信号预调理仪、转接端子、数据采集卡、计算机组成；软件部分包括了数据 采集模块、信号实时显示和状态监测模块、特征频率计算模块、数据分析和诊断模 块、信号与状态存储模块。

1 、数据采集模块

2、转速测量程序

3 、时域状态监测

4 、提升机状态监测

        状态监测是一种对设备进行特性监测的技术和过程，通过对故障特征信号的提取，被监测设备特性的趋势或变化可判断故障的维护需要，或者评估设备的运行状 况。 进行状态监测的主要目的之一就是判断设备故障的有无。本系统为完成此任务 设计了越限监测模块，它选择时域状态值对时域波形进行报警。越限监测模块的设 计原理只是简单的对状态值进行比较，其主要问题是对域值的设定。

       此模块中的域 值设定是在系统建立后，应用采集系统采集正常主轴的振动信号，经过一段时间运行后，对时域状态值做统计，根据统计的结果来确定此模块的报警域值。 在设备运行过程中，所产生的时域状态值超过预定的域值，则可以据此初步判 断设备存在故障。

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