CN107651521B - 一种基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法 - Google Patents

一种基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法，属于矿井提升系统健康状态监测方法。矿井提升系统健康状态监测方法包括提升机主轴轴段表面的应变值采集和健康监测系统的信号处理和输出；通过对主轴敏感测点应变值的实时监测，实现对矿井提升系统运行状态的健康诊断；提升机主轴上的应变采集装置所采集的应变信号经由无线发射装置和无线接收装置传送到上位机，上位机的健康状态检测系统通过算法对应变信号进行处理和界面输出；应变采集装置包括应变传感器和采集设备，应变传感器和采集设备共用同一电源，应变传感器被贴片在所选定的主轴轴段表面，采集设备相应的被固定在和贴片的同一轴段。优点：提升系统运行状态的实时监测更加准确可信。

Description

一种基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法
技术领域
本发明涉及一种矿井提升系统健康状态监测方法，特别是一种基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法。
背景技术
矿井提升系统沿井筒提升煤炭、矸石，升降人员和设备，是连接矿山井下生产系统和地面工业广场的纽带。矿井提升机是矿井提升系统的关键组成部分，在整个矿山生产中占有重要地位。
《煤矿安全规程》和《煤矿机电设备完好标准》对矿井提升机的安全运行作了明确的规定，要求对正常生产的矿井提升机定期停机进行技术测定，实际矿业生产中也主要依靠的是对矿井提升机进行定期和事后维护等传统方法。事后维护是在矿井提升机故障已经发生并带来了非计划范围内的恶性停机和经济损失前提下的一种补救性维护方案，其对减少提升机事故和人员伤亡意义不大。因此，需要对矿井提升系统运行状态进行监测，通过监测参数分析其是否出现故障，从而确保矿井提升系统运行的可靠性和安全性。
目前，对于提升机运行状态监测方法的研究，国内外学者做了大量的工作，主要集中于对一些电压、电流、振动信号的方法类处理以及关键部件健康状态监测装置的研发，其缺点是：这些信号的采集都是混杂了多种噪声信号，对微弱信号特征的提取是相对困难的；而且国内对矿井提升机的监测大多数是使用检测式仪表，它们体积一般较大还较为笨重，不易携带。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法，解决现有监测方法中信号的采集都是混杂了多种噪声信号，提取微弱信号特征相对困难的问题。
本发明的目的是这样实现的：矿井提升系统健康状态监测系统的方法包括以下步骤：
(1)根据矿井提升机的额定负载及运行加减速度，由牛顿第二定律计算出每一提升工况下摩擦轮两侧的钢丝绳张力Tx和Ts，进而求出摩擦轮两侧钢丝绳的最大静张力差，ΔTmax＝Ts-Tx，由受力平衡条件和本构方程可得出测点的应变阈值[ε]；
(2)基于主轴扭矩采集系统采集的正常工况下的应变历史数据，通过hilbert算法计算出各速度段历史数据的包络值[εi]h，对理论阈值进行上下限包络修正，并计算其振动幅值Ahi；
(3)假定矿井的非正常工况均为初期状态，表现为在提升机提升过程中只对提升容器作用瞬间卡阻，未对矿井生产造成严重影响；主轴扭矩采集系统采集的应变数据为ε，同时监测系统将所测应变数据与对应阶段的应变阈值作差处理，记Δε＝ε-[εi]h；使用分治算法找出每一运行状态所测应变值的最大值和最小值，并进行作差处理，记为Δεi＝(εmax-εmin)/2(i＝1,…,5)；
(4)若在提升过程中Δε<＝0，且Δεi<Ahi，实测应变值没有超过阈值且波动较小，工作状态为正常运行；
若在提升过程中Δεi<Ahi，且Δε>0，采集的应变数据在各提升阶段始终大于阈值且波动较小，工作状态为过载工况；
若Δεi>Ahi，说明采集的应变数据波动较大；当先([ε]-Ahi-εmin)t<0后([ε]-Ahi-εmin)t+Δt>0，其中Δt<＝5s，在此假设应变值变化间隔Δt在5s之内，所测应变数据先大幅减小再大幅度变大，工作状态为松绳问题；当先([ε]-Ahi-εmin)t>0后([ε]-Ahi-εmin)t+Δt<0，其中Δt<＝5s，所测应变数据先大幅增大再大幅度减小，工作状态为卡罐问题；
(5)当被判断为过载，松绳或卡罐非正常工况时，输出工况危险报警信号。
实现矿井提升系统健康状态监测方法的监测系统是在提升机主轴轴段表面安装应变采集装置；提升机主轴上的应变采集装置将采集的应变信号经由无线发射装置和无线接收装置传送到上位机，上位机的健康状态检测系统通过算法对应变信号进行处理和界面输出；所述应变采集装置包括应变传感器和采集设备，应变传感器和采集设备共用同一电源，应变传感器被贴片在所选定的主轴轴段表面，采集设备固定在应变传感器贴片的同一轴段。
有益效果，由于采用了上述方案，提升机主轴是提升系统传递动力和承受载荷的重要部件。通过对主轴敏感测点应变值的实时监测，实现对矿井提升系统运行状态的健康诊断，当发生超载、松绳、卡罐、过卷等非正常工况时，主轴的应力场变化能够反映提升钢丝绳的荷载差异，有效表征提升机的运行状态。此外，主轴结构简单、受力条件单一，测点应变数据具有较高可靠性，便于采集、分析，而且对阈值的确定采用理论计算与历史实验数据修正的方式，修正后的阈值曲线更具实用性，对提升系统运行状态的实时监测更加准确、可信。解决了现有监测方法中信号的采集都是混杂了多种噪声信号，提取微弱信号特征相对困难的问题，达到了本发明的目的。
附图说明：
图1为本发明多绳摩擦提升系统示意图。
图2为本发明摩擦式提升机机构图。
图3为本发明矿井提升机主轴应变信号传递图。
图4(a)为矿井提升系统钢丝绳多绳摩擦提升机提升过程具有多段速工作图。
图4(b)为本发明矿井提升系统钢丝绳张力差曲线图。
图4(c)为本发明矿井提升系统钢丝绳应变阈值曲线图。
图5为本发明矿井提升系统健康状态监测流程图。
图中，1-摩擦式提升机；2-天轮；3-提升绳；4-提升容器；5-尾绳；6-主轴承座；7-摩擦轮；8-主轴；9-应变采集装置；10-电机。
具体实施方式
本发明基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法，具体步骤如下：
(1)根据矿井提升机的额定负载及运行加减速度，由牛顿第二定律计算出每一提升工况下摩擦轮两侧的钢丝绳张力Tx和Ts，进而求出摩擦轮两侧钢丝绳的最大静张力差，ΔTmax＝Ts-Tx，由受力平衡条件和本构方程可得出测点的应变阈值[ε]；
(2)基于主轴扭矩采集系统采集的正常工况下的应变历史数据，通过hilbert算法计算出各速度段历史数据的包络值[εi]h，对理论阈值进行上下限包络修正，并计算其振动幅值Ahi；
(3)假定矿井的非正常工况均为初期状态，表现为在提升机提升过程中只对提升容器作用瞬间卡阻，未对矿井生产造成严重影响；主轴扭矩采集系统采集的应变数据为ε，同时监测系统将所测应变数据与对应阶段的应变阈值作差处理，记Δε＝ε-[εi]h；使用分治算法找出每一运行状态所测应变值的最大值和最小值，并进行作差处理，记为Δεi＝(εmax-εmin)/2(i＝1,…,5)；
(4)若在提升过程中Δε<＝0，且Δεi<Ahi，实测应变值没有超过阈值且波动较小，工作状态为正常运行；
若在提升过程中Δεi<Ahi，且Δε>0，采集的应变数据在各提升阶段始终大于阈值且波动较小，工作状态为过载工况；
若Δεi>Ahi，说明采集的应变数据波动较大；当先([ε]-Ahi-εmin)t<0后([ε]-Ahi-εmin)t+Δt>0，其中Δt<＝5s，在此假设应变值变化间隔Δt在5s之内，所测应变数据先大幅减小再大幅度变大，工作状态为松绳问题；当先([ε]-Ahi-εmin)t>0后([ε]-Ahi-εmin)t+Δt<0，其中Δt<＝5s，所测应变数据先大幅增大再大幅度减小，工作状态为卡罐问题；
(5)当被判断为过载，松绳或卡罐非正常工况时，输出工况危险报警信号。
实施上述基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法的监测系统，包括多绳摩擦提升系统，多绳摩擦提升系统包括摩擦式提升机、天轮、提升绳、提升容器以及尾绳；所述的摩擦式提升机的是由主轴承座，摩擦轮、主轴、电机构成；矿井提升系统健康状态监测系统是在提升机主轴轴段表面安装应变采集装置；提升机主轴上的应变采集装置将采集的应变信号经由无线发射装置和无线接收装置传送到上位机，上位机的健康状态检测系统通过算法对应变信号进行处理和界面输出；所述应变采集装置包括应变传感器和采集设备，应变传感器和采集设备共用同一电源，应变传感器被贴片在所选定的主轴轴段表面，采集设备固定在应变传感器贴片的同一轴段。
下面结合附图，以摩擦式提升系统为实施例对本发明作进一步的说明：
图1中，多绳摩擦提升系统包括摩擦式提升机1，天轮2，提升绳3，提升容器4以及尾绳5。
图2中，摩擦式提升机的是由主轴承座6，摩擦轮7、主轴8、电机10构成。
图3中，矿井提升系统健康状态监测系统是在提升机主轴轴段表面安装应变采集装置9；提升机主轴上的应变采集装置9将采集的应变信号经由无线发射装置和无线接收装置传送到上位机，上位机的健康状态检测系统通过算法对应变信号进行处理和界面输出；所述应变采集装置9包括应变传感器和采集设备，应变传感器和采集设备共用同一电源，应变传感器被贴片在所选定的主轴轴段表面，采集设备固定在应变传感器贴片的同一轴段。
其传动方式为：提升钢丝绳3绕经摩擦轮7并且两端分别连接有提升容器4，提升钢丝绳3用于承载并牵引提升容器4上下运行。摩擦轮7通过提升钢丝绳3与摩擦衬垫之间的摩擦力带动提升钢丝绳3运行，从而实现提升容器4的提升和下放。
如图4(a)所示，多绳摩擦提升机提升过程具有多段速工作特点，最典型的是五阶段速度曲线，即一个完整的提升(下放)包含启动加速段S1、匀速段S2、一次减速段S3、匀速爬坡段S4和二次减速段S5。理论上，每一速度段的加速度都是恒定的，所以提升载荷通过提升钢丝绳和摩擦轮传递到主轴的力在每一速度段是不变的，从而在主轴表面产生的应变值是固定值。基于此可以通过实际矿井的运行曲线和物理参数计算出摩擦轮两侧钢丝绳的静张力差(图4(b))和应变阈值曲线(图4(c))。
图5中，基于以上对矿井提升系统的运行原理和应变阈值理论曲线计算的叙述，矿井提升系统健康状态监测包括以下步骤：
首先，根据矿井提升机的额定负载及运行加减速度，图4(a)中，由牛顿第二定律计算出每一提升工况下摩擦轮两侧的钢丝绳张力Tx和Ts，进而求出摩擦轮两侧钢丝绳的最大静张力差，ΔTmax＝Ts-Tx，由受力平衡条件和本构方程可得出测点的应变阈值[ε]，如图4(c)。
其次，基于主轴扭矩采集系统采集的正常工况下的应变历史数据，通过hilbert算法计算出各速度段历史数据的包络值[εi]h，对理论阈值进行上下限包络修正，并计算其振动幅值Ahi。
然后，假定矿井的非正常工况均为初期状态，表现为在提升机提升过程中只对提升容器作用瞬间卡阻，未对矿井生产造成严重影响。主轴扭矩采集系统采集的应变数据为ε，同时监测系统将所测应变数据与对应阶段的的应变阈值作差处理，记Δε＝ε-[εi]h；使用分治算法找出每一运行状态所测应变值的最大值和最小值，并进行作差处理，记为Δεi＝(εmax-εmin)/2(i＝1,…,5)。
最后，若在提升过程中Δε<＝0，且Δεi<Ahi，说明实测应变值没有超过阈值且波动较小，则可判断为正常运行；若在提升过程中Δεi<Ahi，且Δε>0，说明采集的应变数据在各提升阶段始终大于阈值，且波动较小，则可判断为过载工况；若Δεi>Ahi，说明采集的应变数据波动较大，且先([ε]-Ahi-εmin)t<0后([ε]-Ahi-εmin)t+Δt>0(Δt<＝5s)，在此假设应变值变化间隔Δt在5s之内，说明所测应变数据先大幅减小再大幅度变大，则可断定为松绳问题，且先([ε]-Ahi-εmin)t>0后([ε]-Ahi-εmin)t+Δt<0(Δt<＝5s)，说明所测应变数据先大幅增大再大幅度减小。当提升系统的工作状态被判断为过载，松绳，卡罐等非正常工况时，健康状态监测系统则输出工况危险报警信号。

Claims (2)

1.一种基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)根据矿井提升机的额定负载及运行加减速度，由牛顿第二定律计算出每一提升工况下摩擦轮两侧的钢丝绳张力Tx和Ts，进而求出摩擦轮两侧钢丝绳的最大静张力差，ΔTmax＝Ts-Tx，由受力平衡条件和本构方程可得出测点的应变阈值[ε]；
(2)基于主轴扭矩采集系统采集的正常工况下的应变历史数据，通过hilbert算法计算出各速度段历史数据的包络值[εi]h，对理论阈值进行上下限包络修正，并计算其振动幅值Ahi；
(3)假定矿井的非正常工况均为初期状态，表现为在提升机提升过程中只对提升容器作用瞬间卡阻，未对矿井生产造成严重影响；主轴扭矩采集系统采集的应变数据为ε，同时监测系统将所测应变数据与对应阶段的应变阈值作差处理，记Δε＝ε-[εi]h；使用分治算法找出每一运行状态所测应变值的最大值和最小值，并进行作差处理，记为Δεi＝(εmax-εmin)/2(i＝1,…,5)；
(4)若在提升过程中Δε<＝0，且Δεi<Ahi，实测应变值没有超过阈值且波动较小，工作状态为正常运行；
若在提升过程中Δεi<Ahi，且Δε>0，采集的应变数据在各提升阶段始终大于阈值且波动较小，工作状态为过载工况；
若Δεi>Ahi，说明采集的应变数据波动较大；当先([ε]-Ahi-εmin)t<0后([ε]-Ahi-εmin)t+Δt>0，其中Δt<＝5s，在此假设应变值变化间隔Δt在5s之内，所测应变数据先大幅减小再大幅度变大，工作状态为松绳问题；当先([ε]-Ahi-εmin)t>0后([ε]-Ahi-εmin)t+Δt<0，其中Δt<＝5s，所测应变数据先大幅增大再大幅度减小，工作状态为卡罐问题；
(5)当被判断为过载，松绳或卡罐非正常工况时，输出工况危险报警信号。
2.一种实现权利要求1所述的一种基于主轴测点应变的矿井提升系统健康状态监测方法的监测系统，包括多绳摩擦提升系统，多绳摩擦提升系统包括摩擦式提升机、天轮、提升绳、提升容器以及尾绳；所述的摩擦式提升机是由主轴承座，摩擦轮、主轴、电机构成；其特征是：矿井提升系统健康状态监测系统是在提升机主轴轴段表面安装应变采集装置；提升机主轴上的应变采集装置将采集的应变信号经由无线发射装置和无线接收装置传送到上位机，上位机的健康状态检测系统通过算法对应变信号进行处理和界面输出；所述应变采集装置包括应变传感器和采集设备，应变传感器和采集设备共用同一电源，应变传感器被贴片在所选定的主轴轴段表面，采集设备固定在应变传感器贴片的同一轴段。
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