基于中部槽振動分析的刮板鏈故障診斷研究

張凱紅

摘 要：本文針對刮板輸送機運行過程中受力不均造成刮板鏈故障的現象，提出了中部槽振動分析的刮板鏈故障診斷方法，通過數值模擬，得到建立的模型下可以良好的反應刮板輸送機中部槽振動特點，對空載、半載、滿載狀態下振動信號下刮板鏈故障診斷研究中，得到不同故障信號下故障信息頻率范圍不同，高能量信號區出現的次數也會不同，證明了該方法的準確性。

關鍵詞：中部槽;刮板鏈;數值模擬

刮板輸送機是礦井重要的運輸設備，在井下惡劣的生產環境下，常常因為受力不均勻、部件之間的復雜力學導致刮板鏈故障的發生[1]。眾多學者對刮板鏈故障進行了研究，但多集中于算法上的研究，忽略了實際背景，工程適應性差。刮板輸送機是在刮板鏈和中部槽形成的閉環系統的驅動作用下運行，三者之間存在著相互作用關系。在不同運行狀態下，中部槽振動特性不同，可以直觀的反應刮板鏈的運行狀態。因此本文針對刮板鏈卡鏈、斷鏈現象，對中部槽的振動信號進行了分析，提出了基于中部槽振動分析的刮板鏈故障診斷方法，實現了對刮板鏈運行狀態的準確評價。

1 有限元分析及傳感器布置

通過設備運行過程中產生的振動信號對設備進行故障診斷是礦井設備監測的主要手段之一，對于刮板輸送機的中部槽而言，根據振動信號進行數值模擬研究其動態特不失為一種良好的方法。模擬中將振動信號與模態參數對應，根據刮板輸送機中部槽振動特性進行模擬，模擬振動方程如下：

Mδ（t）+DPδ（t）+Kδ（t）=Bf（t）（1）

y=Cdδ（t）+Cvδ（t）+Df（t）（2）

公式（1）、（2）中，質量矩陣為M;阻尼矩陣為DP;剛度矩陣為K;受力矩陣為f（t）;位移矩陣為δ（t）;模擬過程中忽略阻力系數的影響，假設f（t）=0，則模擬方程可簡化成以下公式：

Mδ（t）+Kδ（t）=0（3）

進行位移響應歸一化處理，得到：

δ（t）=φsinωt（4）

式中，特征向量為φ;運行角頻率為ω。

2 中部槽振動數值模擬

利用ANSYS數值模擬軟件對刮板輸送機進行振動研究，通過有限元分析法將中部槽分解成若干個離散的單體，不同單體之間通過節點連接，利用上述公式對節點建立方程，經加權處理得到中部槽的振動特性，為了方便對刮板輸送機中部槽進行分析，利用模態分析法將模擬結果進行坐標轉化，得到平面坐標系下中部槽振動特性曲線，分析更加方便直接。具體的建模分析過程如下：①進行建模和模態分析時，需要建立相關的數值計算模型，本文中中部槽數值模型為實體單元，根據實際運行狀況，數值模型中包括中部槽和部分刮板、刮板鏈。中部槽數值分析模型如圖1所示;②數值模擬參數如下：中部槽材料的密度值為7536kg/m3，材料的彈性模量為208GPa，泊松比為0.28，利用軟件中自帶的網格劃分方法對模型進行單元和節點劃分，共劃分753264個單元和1023658個節點;③模擬過程的邊界條件設置如下：不同部位之間的約束不同，根據實際運行狀況進行約束條件設置，橫鏈和刮板輸送機之間的約束為固定約束，中部槽與立鏈之間、刮板以及鏈條之間的約束都為接觸約束。本文中對中部槽的振動分析通過振動信號的疊加實現，因此無需施加外部載荷，不同振動信號下中部槽的振動特性差異大，為了探究不同階級下振動模態對中部槽的影響，進行多個振動模態下的數值模擬;④6次模擬振動頻率分別為173.56Hz、181.51Hz、284.21Hz、301.25Hz、318.24Hz、340.28Hz。

對模型進行數值模擬計算，根據計算結果對不同振動頻率下設備固有頻率進行提取，通過模態分析法處理結果對中部槽進行評價。為了計算結果的準確性，對不同階段的模態固有頻率進行誤差分析，得到表1所示的結果。

從表中可以看出，當模態處于第2階時，誤差值最大達到12.9%，當模態處于第6階時，誤差值最小達到2.1%，對結果進行驗證，發現在所建立的模型下可以良好的反應刮板輸送機中部槽振動特點，為中部槽振動分析的刮板鏈故障診斷提供了依據。

3 基于振動信號分析的刮板鏈故障診斷

刮板輸送機是礦井重要的運輸設備，其中中部槽是重要的承載部件，上文根據振動信號對中部槽進行數值模擬。模擬結果顯示利用振動信號對設備進行故障診斷的可行性。

根據礦井實際運行狀況和振動響應特征對刮板輸送機卡鏈故障進行研究。在實際的生產運輸中，刮板輸送機的卡鏈故障是最為常見的一種故障，一旦發生卡鏈故障，電機運行失常，設備出現卡頓、速度異常，往往需要較長的時間才能恢復。本文中定義卡鏈故障時，鏈條的運行速度為V，故障發生的時間為1s，持續時間為3s，在故障發生的3s內，鏈條速度從V降到了0，速度的突然降低會使得鏈條之間接觸緊密，出現卡頓現象。隨后增大鏈條的運行速度，使其達到1m/s，直至設備運行正常。

模擬刮板鏈在空載、半載、滿載狀態下卡鏈以及斷鏈故障振動信號，得到結果，空載狀態下發生卡鏈故障時，振動信號在0.5s出現明顯的高能量信號區，此時設備的運行頻率低于50Hz;當發生斷鏈故障時，振動信號在0.6s、0.8s出現兩次明顯的高能量信號區，此時對應的頻率范圍為80Hz-180Hz。

在半載運行狀態下，振動信號在0.5s出現明顯的高能量信號區，此時設備的運行頻率低于150Hz;當發生斷鏈故障時，振動信號在0.6s、0.8s出現兩次明顯的高能量信號區，此時對應的頻率范圍為50Hz-230Hz。

在滿載運行狀態下，振動信號在0.5s出現明顯的高能量信號區，此時設備的運行頻率低于250Hz;當發生斷鏈故障時，振動信號在0.6s、0.65s出現兩次明顯的高能量信號區，此時對應的頻率范圍為50Hz-330Hz。

對比分析不同負載狀況下刮板鏈中部槽的振動信號：當刮板鏈發生故障時，振動信號會出現明顯的高能量信號區，不同故障情況下高能量信號區出現的次數不同，究其原因，故障信息觸發的振動信號不同導致功率值的差異，不同故障信息頻率范圍不同，由此可見，通過中部槽振動信號進行故障識別與診斷是一種有效準確的方法。

基于中部槽振動分析的刮板鏈故障診斷研究中，主要通過數值模擬對振動分析故障方法進行了研究，證明了該方法的可行性，后續還需進行現場應用觀察效果。

4 結論

本文通過對中部槽振動分析的刮板鏈故障診斷研究，得到以下結論：①基于中部槽數值分析模型，對不同振動頻率下設備固有頻率進行提取，誤差分析結果顯示，誤差值最大達到12.9%，誤差值最小達到2.1%，證明了所建模型可以良好的反應刮板輸送機中部槽振動特點;②對空載、半載、滿載狀態下振動信號下刮板鏈故障診斷研究中，得到不同故障信號下故障信息頻率范圍不同，高能量信號區出現的次數也會不同。

參考文獻：

[1]王瑞生.刮板輸送機故障診斷與狀態監測系統的設計[J].機械管理開發，2018（8）：38.