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计算机软件诊断主轴体系故障方法探究

2020-05-13 209 上传者：管理员

摘要：为了准确判定提升机主轴体系故障类型以及故障原因，分析并总结了主轴体系常见故障和原因，阐述了计算机软件诊断主轴体系故障的原理。以多绳摩擦式提升机主轴体系为例，给出了主轴体系故障评判标准，诊断结果表明基于计算机软件诊断主轴体系故障精准，实现了自动化，为故障维修奠定了理论支撑，提高了矿井提升运输的安全性。

关键词：
主轴
减速器
提升机
故障诊断
计算机软件
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引言

矿用提升机是煤矿重要的提升运输设备，在生产过程中提升机主轴承受了动载荷和静载荷双重作用，主轴体系成为了矿井提升机重要的结构件之一。近年来不少学者专家对矿井提升机主轴故障诊断进行了一系列研究，一些文献提出了基于波动时域与频域的主轴体系故障诊断方法[1]，有的文献提出了基于网络聚类的矿井提升机主轴体系诊断理论[2,3]，文献提出了利用频率多小波诊断矿井提升机主轴体系故障的方法[4]，还有的文献提出采用人工神经网络基本原理来诊断矿井提升机主轴体系故障的技术[5]。虽然上述文献对矿井提升机主轴体系故障诊断具有一定的借鉴作用，但是还存在着诊断准确率低、自动化程度差、效率低等问题，为此，论文提出基于计算机软件构件本体，建立主轴体系故障数据库，与实际相结合，通过监测矿井提升机主轴数据来判定主轴体系故障，进而解决矿井提升机面临的主轴体系故障诊断难题。

1、主轴体系常见故障

主轴体系作为矿井提升机传动部结构件，其承担着提升机工作过程的全部载荷，矿井提升机主轴系统局部实物详见图1所示。在提升运输过程中，主轴体系是矿井提升机最为容易发生故障的器件，一旦提升机产生故障，必然影响矿井正常生产，为提升机主轴监测和故障维修提供技术支持，论文基于计算机软件诊断提升机主轴体系故障，图2为提升机主轴在软件中的三维图。根据煤矿统计，矿井提升机发生的故障，大多数均是来自提升机主轴体系的故障，而且故障类型众多，在现实当中很难预料与措施应对。结合煤矿维修经验和故障数据统计，系统总结了矿井提升机主轴体系常见故障。

图1提升机主轴体系局部

图2提升机主轴三维模拟图

综合分析主轴体系各个零部件发生过的故障，找出故障原因并分析其类型。在提升机安装、调试阶段，提升机主轴容易发生断裂，原因主要是材料质量或者是热处理加工工艺出现误差引起；在提升机启动阶段或者是加速提升过程，由于提升货物过重，主轴停止转动；在提升机需要制动时，突然因为制动力矩过大或者材料质量造成主轴发生故障；提升机匀速提升或者减速下降时，会因主轴体系结构不合理造成应力集中或者超使用寿命运行。对此，对矿井提升机主轴体系故障类型以及发生原因进行了归纳总结，见表1。

表1提升机主轴体系常见故障类型

2、软件诊断故障原理

根据煤矿近些年的总结和统计采用SQLServer2008建立矿井提升机主轴系统故障数据库，并将主轴体系的故障现象、故障原因存储在软件中的本体库中，将其生成owl文档以便调阅和查询，owl文档优势在于其运行是独立于系统的平台[6]，不会受其他干扰，导入软件系统转换格式也方便，这样计算机软件诊断提升机主轴体系故障有了评判的基础数据。

利用程序语言编写程序，计算机软件自动归纳总结提升机主轴系统常见的故障现象，根据故障情况综合分析发生原因以及主轴损坏程度等，再根据故障类型建立数据库，根据映射关系与owl文档调用的文本库进行对比分析，这样就实现了故障数据库与本体库的信息交流和互换，最后通过计算机软件自动分析得出主轴故障类型、产生原因、所需维修数据。

开发的Protégé4.3软件内置矿井提升机主轴体系故障本体库和故障类型、产生原因数据库，利用逻辑语判断模型，将监测故障数据信息与owl文档本体库一一对比，通过逻辑分析判断，确定出矿井提升机主轴体系故障，为矿井维修人员奠定技术支持。

3、应用研究

3.1实例分析

煤矿使用的是JKMD3.25×4(I)A型多绳摩擦式提升机，该提升机主轴系统包括提升机转动主轴、传动部电机和减速器，其中采用YR1000-14/1450型电机，电机轴额定转速n1为550r/min；主轴体系采用XP1120型减速器，其减速比i=12。

矿井提升机主轴体系中的减速器输入轴的回转频率为：

矿井提升机主轴体系中的减速器输出轴与滚筒轴的回转频率为：

矿井提升机主轴体系中的减速器输出轴和滚筒轴的额定转速为：

式中：fr1为减速器输入轴回转频率，Hz;fr2为输出轴与滚筒轴回转频率，Hz;n2为输入轴与滚筒轴额定转速，r/min。

基于计算机Protégé4.3软件诊断矿井提升机主轴系统故障，主要在线监测主轴体系振动位移、提升机运行速度以及主轴加速度情况，频率大小决定了主轴运行状况：若振动频率较小，低于10Hz以下，但是其振幅较大，根据位移监测数据量标可知，主轴体系故障是由位移造成；若振动频率处于10～1000Hz之间，根据速度监测数据量标可知，主轴体系故障是由振动速度造成；若振动频率高于1000Hz，根据加速度监测数据量标可知，主轴体系故障是由振动加速度造成。为了考虑主轴体系的综合性，还要分析主轴体系减速器轴、滚筒轴回转频率、额定转速、振动位移、振动速度均方根值等参数数据，在利用软件数据中的数据进行综合对比判定矿井提升机主轴体系故障。

3.2判断标准

提升机主轴体系振动位移、振动速度均方根值、振动加速度判断标准[7]见表2。

表2提升机主轴体系参数判断标准

3.3故障诊断结果

在计算机软件中将矿井提升机主轴体系各个参数输入，监测仪器实时监测主轴体系参数变化情况。为了简单说明问题，论文以主轴体系的主轴右轴承和电机右轴承振动监测数据为例，根据检测到的振动加速度和振动速度大小，从数据库中调用owl文档进行对比分析和逻辑判断，从数据库中调出振动速度均方根值均超过5.5min/s和振动速度超过0.4m/s2的数据样本，在软件系统自动生成下自动对比和逻辑分析，最后诊断的矿井提升机主轴体系故障结果如图3所示。

图3提升机主轴体系故障诊断结果

主轴振动速度均方根值大于5.5min/s但小于12min/s，从主轴体系振动速度均方根值来看，这种情况是允许的，说明主轴体系运行正常。但是从振动加速度数值评判得知，其加速度值大于了0.4m/s2，说明主轴体系出现了问题。再结合振动位移等数据综合分析，软件显示主轴和电机发生碰撞，且碰撞还较为严重。为验证计算机Protégé4.3软件诊断结果准确性，人工对矿井提升机主轴体系进行了检查，经过现场核实，确实发现主轴与电机发生碰撞磨损，因而才有了参数超过限值。继续利用计算机Protégé4.3软件分析得出发生此种情况是主轴与电机轴装配不良、公差设计不合理和工况发生变化造成的。通过此表明，基于计算机Protégé4.3软件诊断提升机主轴体系故障，不仅效率高，而且判定准确，实现了自动化，为矿井提升机主轴体系故障维修提供了理论支撑。

4、结论

1）根据煤矿生产实践，总结了矿井提升机主轴体系常见故障，并分析了其故障发生原因。

2）简单叙述了基于计算机Protégé4.3软件分析、判定矿井提升机主轴体系故障的原理。

3）以矿井JKMD3.25×4(I)A型多绳摩擦式提升机主轴体系为例，分析了主轴体系故障诊断参数和评判标准，最后通过试验验证得出基于计算机软件诊断主轴体系故障精准、详细、效率高，实现了自动化，为矿井提升机主轴体系故障维修奠定了理论基础。

参考文献:

[1]吴海青,石瑞敏,娄玉华,等.多绳摩擦提升机主轴振动监测与故障诊断研究[J].煤矿机械,2013,34(8):302-304.

[2]董磊,石瑞敏,曾志强.基于复杂网络聚类的提升机主轴系统故障诊断[J].振动.测试与诊断,2016,36(4):688-693.

[3]杜海峰,王娜,张进华,等.基于复杂网络的故障诊断策略[J].机械工程学报,2010,46(3):90-96.

[4]季忠,黄捷,秦树人.提升小波在齿轮箱故障诊断中的应用[J].振动.测试与,2010,30(3):291-294.

[5]刘金辉,任小洪.LM算法BP神经网络的数控机床主轴系统故障诊断[J].机床与液压,2015,43(21):193-196.

[6]李娟莉.基于本体的矿井提升机故障诊断理论与方法[M].北京:国防工业出版社,2015.

张楠.浅谈计算机软件诊断提升机主轴体系故障[J].煤矿现代化,2020(03):197-199.