矿井提升机辅助状态参数监测系统的开发研究

闫赛凤

（晋能控股煤业集团四老沟矿大型设备管理队，山西 大同 037000）

1 矿井提升机组成和参数监测技术分析

1.1 提升系统组成

矿井提升系统主要由主轴、制动、机械传动、润滑、操纵、安全保护等六大主要的系统组成[1-2]。根据提升机每个系统对提升作用分类，可分为电动机部分、制动器部分、主轴装置三个部分。由于提升机的主轴承载着较大的载荷作用力且制动系统在作业过程中会产生大量的热量，关系到了提升机的安全运行状态。针对于制动系统和主轴系统就应该加强运行参数的监测，当主轴系统由于零部件的复杂性出现问题时就容易发生主轴的断裂、弯曲、疲劳破坏等情况。

而制动系统由于温度升高就会使得闸瓦的间隙扩大，降低了制动性能，容易触发安全生产事故。温度也是影响提升机运行状态的关键。在设计提升机辅助检测系统时，不仅将制动系统的温度参数考虑在内，也将主轴系统的电动机、减速器、两侧轴承的温度参数设计至检测系统中。

1.2 辅助状态参数监测技术分析

1.2.1 制动系统参数监测

根据《煤矿安全规定》规范的要求，对于制动系统的闸瓦间隙规定不得小于2 mm。对于间隙的测量要选取位移传感器，满足矿井内的防爆性能。由于制动盘的摩擦阻力较大，如果采用直接式测量传感器，使用寿命将缩短。因此选用电涡流式传感器作为测量闸瓦间隙的元器件，该类型传感器属于间接式测量。可通过制动器发热后产生的红外线辐射强度变化，对制动盘表面的温度进行采集分析。热电阻采用测量范围为-200 ℃～500 ℃的铂材料，能够实现多点和自动控制。

1.2.2 主轴系统参数监测

主轴系统参数的测量主要对电动机温度、减速器温度、滚筒两边轴承的温度进行测量。电动机温度主要通过温度巡检仪提前获知故障信号。当电动机绝缘体产生损坏时，就会发生热跳闸，选取PT100 温度传感器作为感应部件，当电动机回路发生闭锁现象时，可及时地报警和上传数据。减速器温度主要依靠DS18B20 温度传感器和单片机，设置减速器轴承温度大于70 ℃时，监测系统就会发出报警。轴承两测温度过高主要原因是油膜发生破坏，传感器合理排布可提高检测的可靠性，将PT100 传感器安装至轴承座上，可兼顾轴承两侧的温度测量。

2 辅助状态监测系统的硬件设计

2.1 硬件组成结构设计

选取STM32F103C8T6 单片机作为监测系统的中央核心处理器。该型号单片机抗干扰能力强，适应恶劣的矿井环境，最高的工作频率达到75 MHz，同时数据输入/输出通道为37 个，存储器容量为64 kB。选取闸瓦的电涡流传感器的型号时，应首先考虑是否分辨率较高和抗干扰能力。电涡流传感器是通过接线电圈的阻抗辐值变化传递电压信号，判断温度数值的高低。传感器探头距离闸瓦表面的范围保持在5～7 mm，只能一端接地。闭闸时，闸瓦与制动盘之间的距离大于10 mm 后要及时报警。

2.2 硬件抗干扰技术

提升机受到矿井恶劣因素的外部影响，将辅助状态监测系统的每个设计电路接地点进行电气隔离。最有效且最简单的抗干扰措施就是通过电路单独接地，防止内外部的耦合干扰。尤其是高压转向低压时，内部二极管受到电气冲击后容易发生破坏，可采用光电炉和输入电路将高低压之间的电路转换进行桥接，有效地抑制了漂移电压的产生，从而达到硬件抗干扰的目的。

3 辅助状态监测系统的软件设计

3.1 PyQt5 开发环境搭建及程序应用

PyQt5 开发的软件功能要实现串行通讯、功能模块划分、数据显示与存储等三个主要功能。RS-485 总线技术实现通讯接口的兼容匹配。设计监测界面并对不同功能模块进行划分，不仅能实时地显示数据曲线，还能为技术人员调取历史资料提供数据库。

采用SQLite 数据库对系统的驱动类型名称和连接方式进行定义，当数据库串联成功后写入计算代码。共计设计三个数据表为存储访问用户的基本信息；获取传感器传输的测量数据量；存储历史故障信息，通过搜索引擎对用户信息表、监测数据表和故障报警表的字段数据类型、注释进行定义。

3.2 监测界面设计

提升机辅助状态监测系统由主界面和子界面组成。通过串口通信信息对故障指示灯进行控制并发出报警信息，不同频段的数据链将通过RS-485 串口发送数据。提高采样率的循环时间，将检测数据的采集频率设置为每150 ms 一次，所有的系统按键在正常时都显示为绿色，当发生故障时变为红色。

根据提升机各电动机的排布位置，对闸瓦、主轴的监测界面进行可视化界面设计。形成子系统的界面操作，如图1 所示。

图1 闸瓦间隙子界面示意图

4 监测功能实现与测试验证

大量研究表明，提升载荷变化引起钢丝绳振动，钢丝绳缠绕在滚筒上，振动信号又会传递到滚筒两端的轴承上；减速器、联轴器等部件一旦发生故障，就会产生异常的振动信号，这种信号会影响整个主轴系统。所以，通过监测主轴系统中的振动信号便可以间接反映整个主轴系统的运行状态。

通过提升机辅助状态监测系统在实际工程中的应用，对6 大主要故障类型的检测结果进行统计。提升机辅助故障诊断准确率分别是100%、80%、87%、93%、87%和100%，与人工的诊断结果相比，故障诊断的准确率有较大提高，如表1 所示。因此，基于辅助状态监测系统自动化故障诊断方法能够得到更加可靠的故障信息。

表1 故障诊断结果分析