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摘 要：针对煤矿提升机提升系统的运行现状，本文提出并设计了一种矿井提升机振动在线监测系统，该系统可实现矿井提升机的在线状态监测、诊断和报警。同时将有限元模态计算和模态分析结合，利用ANSYS对提升机振动进行模态分析，分析结果与提升机在实际情况下的振动相符，为后期工作提供理论指导。
关键词：多绳摩擦提升机 振动测试 有限元 模态分析 ANSYS
中图分类号：TD44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0074-02
地下采矿等行业使用较多的是一种关键运输机是多多绳摩擦式提升机，此类机器也是提升机未来的发展方向，它对于矿山生产中井下生产和地表运输纽带之间的沟通的作用影响重大。提升机的主要承载装置是电机主轴，其是否是正常运行状态对生产的效率和安全有直接的影响，整个系统的安全与之息息相关。根据振动理论对主电机轴承和天轮轴承的监测和分析，以达到解决提升机实际运行的振动问题对现实有着重大意义。
1 系统硬件组成
（图1）就是多绳摩擦提升机，它是一种大型低速、重负荷旋转机械。驱动电机、联轴器、减速器、卷筒和轴承等构成了煤矿立井提升系统。振动测试有两个特殊点：（1）整栋具有规则的周期性。（2）转动部件是大型设备的主要振动测试对象。有三个方向是震动测试的主要测试方向，也就是水平、垂直和轴向方向，因为不同的方向不同的故障会有不同的现象，比方说水平方向不平衡，垂直方向松动，而轴向反映强烈的是不对称。通常情况下会将径向得像个测点安装在垂直方向，而水平方向最佳高度就是轴中心的高度
本监测系统采用XZD-YB一体化振动变送器，它将振动速度传感器、精密测量电路集成在一起，实现了传统的“传感器十变送器”模式的振动测量系统的功能，实现了经济型高精度振动测量系统，该变送器可直接连接DCS、PLC或其它系统，是电机等设备振动测量的理想选择。采用西门子S7-300系列PLC接收振动变送器的模拟量信号，完成数据的预处理，报警等功能。再通过PLC的以太网通讯模块传输数据到地面监控中心的PC机上，实现在线显示、报警、故障诊断分析等。系统网络化拓扑图如图2所示。
2 系统软件功能
该上位机系统是基于中文Windows XP平台，采用WinCC V6.0组态软件开发而成（图2）。
（1）显示功能。
立体流程画面的显示功能；具有多种类型图表、系统图、曲线图，用户界面更加直观。
（2）报警功能。
根据实际情况设定不同地点的预警值、报警级别及地理位置名称。系统可以完成诊断结果的统计报表，供设备管理使用，包括日、周、月、年的检测结果统计报表和报警诊断结果报表。
（3）上传功能。
实时振动数据网络上传，轻松实现无人值守。按照系统设定的参数（通道参数、保存监测数据间隔等）循环在线监测：实时数据采集→数据预处理（有效值、最大值、平均值等统计）→报警状态判别（如果有任何测点需要报警）→实时显示数据、棒图、趋势图、时间波形等→定时将检测数据存入数据库→实时数据采集。
（4）图形表格。
用户可定制各种表格：实时数据表、历史数据、统计报表、报警一览表、实时数据曲线和历史数据趋势曲线等。
（5）查询功能。
可以在系统图上直接查询设备信息、运行情况、统计信息等。同时可以实现数据报表和数据库的连接，可以保存历史数据以备后续的分析。
3 系统应用案例分析
本系统现已应用于淮南顾桥矿主副井多绳摩擦提升系统。立井提升机整体是一个质量和刚度分布十分不均匀的，由若干个零部件组成的大型复杂的机器系统，在计算分析振动时，首先要做出较为合理的力学模型，使其既有利于理论分析计算，又能够满足工程上的精度要求。在把提升机整体的实际结构抽象为力学模型的过程中，认为井塔提升机大厅地基为刚性支承，略去各轴承座的弹性，把提升机系统离散成为多质点。本文采用有限元方法和ANS
YS有限元分析软件分析振动参数。
（1）有限元法。
一般连续问题近似求解的数值方法就是有限元。在结构的应力分析中最早使用，之后在热传导、电磁场、流体力学等连续问题中很快应用。有限元方法密切结合了工程应用，是为产品设计直接服务的。随着有限元理论的不断发展和完善，涌现了大量大小不一、专用的、通用的有限元结果分析程序。所以工程结构中的一般问题现在直接可以使用通用程序求解，不用再另编计算程序，节省了大量精力和时间。
有限元三维弹性动力学的基本方程是：
平衡方程
（在V域内）
几何方程（在V域内）
物理方程（在V域内）
边界条件（在边界上）
（在边界上）
初始条件
式中为质量密度；阻尼系数；和分别为对的二次导数和一次导数，即分别表示方向的加速度和速度。和分别为惯性力和阻尼力（取负值）。结构在随时间而变化的荷载作用下，位移、速度、加速度、应变、应力将都是时间的函数。
（2）有限元三维实体动力分析步骤。
三维实体有限元动力分析的一般步骤可以表述如下。
①连续区域的离散化。
在动力分析中，因为引入了时间坐标，处理的是四维问题。在有限元分析中一般采用部分离散的方法，即只对空间域进行离散。
②构造插值函数。
由于只对空间域进行离散，所以单元内位移的插值表示是
③简化求解方程。
利用Galerkin提出的平衡方程与力的边界条件的等效积分形式，同时将位移空间离散后的表达式和初始条件
代入，最终得到系统的求解方程常微分方程组。原则上可利用求解常微分方程组的常用方法（例如Runge-Kutta方法）求解，但是在有限元动力分析中，因为矩阵阶数很高，用这些常用算法一般是不经济的。本文主要用直接积分法和振型叠加法。
（3）有限元分析软件ANSYS。
本文对提升机转轴组件系统的模态分析使用的是美国大型ANSYS有限元分析软件。ANSYS软件本身融合了结构、热、液体、电磁、声学，有限元分析作为基础的大型通用CAE软件。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。由于ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析，任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略，因此这里假设系统为线性系统，进行有限元剖分时采用了梁单元、质量单元和弹簧单元，计算了满载时前15阶模态频率见表1，同时利用MATLAB绘制出了前4阶振型图见图3。
4 结论
分析计算模态的结果可以看出，如果该频率和转轴组件系统的轴向、径向和扭转震动的模态频率，频率处会比较容易出现峰值，计算模态分析结果会等同于实测信号的分析结果，而模态频率附近的频带范围经常出现谱峰，也就是转轴组件系统的动态的实际情况是和建立的有限元计算模型相符的。我们将进一步对模型进行优化改进，为今后煤矿立井提升系统的振动改善做出理论指导。
参考文献
[1] 廖薇，王华，王欢.等.多绳摩擦主提升机的振动测试与分析[J].媒体工程，2008，（7）：69-71.
[2] 贾现召，季晔，张步斌，等.多绳摩擦式提升机主轴振动模态分析研究[J].制造业自动化，2007（10）：82-84.
[3] 洪源，王凤文，李素敏.矿井大型直流提升机电器振动研究[J].煤炭技术，2007（10）：27-29.
[4] 刘芬，孟淑琴.矿井提升机振动监测系统的设计及其故障诊断[J].工矿自动化，2008（2）：108-110.
[5] 叶先磊，史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京：清华大学出版社，2003.
关键词：多绳摩擦提升机 振动测试 有限元 模态分析 ANSYS
中图分类号：TD44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0074-02
地下采矿等行业使用较多的是一种关键运输机是多多绳摩擦式提升机，此类机器也是提升机未来的发展方向，它对于矿山生产中井下生产和地表运输纽带之间的沟通的作用影响重大。提升机的主要承载装置是电机主轴，其是否是正常运行状态对生产的效率和安全有直接的影响，整个系统的安全与之息息相关。根据振动理论对主电机轴承和天轮轴承的监测和分析，以达到解决提升机实际运行的振动问题对现实有着重大意义。
1 系统硬件组成
（图1）就是多绳摩擦提升机，它是一种大型低速、重负荷旋转机械。驱动电机、联轴器、减速器、卷筒和轴承等构成了煤矿立井提升系统。振动测试有两个特殊点：（1）整栋具有规则的周期性。（2）转动部件是大型设备的主要振动测试对象。有三个方向是震动测试的主要测试方向，也就是水平、垂直和轴向方向，因为不同的方向不同的故障会有不同的现象，比方说水平方向不平衡，垂直方向松动，而轴向反映强烈的是不对称。通常情况下会将径向得像个测点安装在垂直方向，而水平方向最佳高度就是轴中心的高度
本监测系统采用XZD-YB一体化振动变送器，它将振动速度传感器、精密测量电路集成在一起，实现了传统的“传感器十变送器”模式的振动测量系统的功能，实现了经济型高精度振动测量系统，该变送器可直接连接DCS、PLC或其它系统，是电机等设备振动测量的理想选择。采用西门子S7-300系列PLC接收振动变送器的模拟量信号，完成数据的预处理，报警等功能。再通过PLC的以太网通讯模块传输数据到地面监控中心的PC机上，实现在线显示、报警、故障诊断分析等。系统网络化拓扑图如图2所示。
2 系统软件功能
该上位机系统是基于中文Windows XP平台，采用WinCC V6.0组态软件开发而成（图2）。
（1）显示功能。
立体流程画面的显示功能；具有多种类型图表、系统图、曲线图，用户界面更加直观。
（2）报警功能。
根据实际情况设定不同地点的预警值、报警级别及地理位置名称。系统可以完成诊断结果的统计报表，供设备管理使用，包括日、周、月、年的检测结果统计报表和报警诊断结果报表。
（3）上传功能。
实时振动数据网络上传，轻松实现无人值守。按照系统设定的参数（通道参数、保存监测数据间隔等）循环在线监测：实时数据采集→数据预处理（有效值、最大值、平均值等统计）→报警状态判别（如果有任何测点需要报警）→实时显示数据、棒图、趋势图、时间波形等→定时将检测数据存入数据库→实时数据采集。
（4）图形表格。
用户可定制各种表格：实时数据表、历史数据、统计报表、报警一览表、实时数据曲线和历史数据趋势曲线等。
（5）查询功能。
可以在系统图上直接查询设备信息、运行情况、统计信息等。同时可以实现数据报表和数据库的连接，可以保存历史数据以备后续的分析。
3 系统应用案例分析
本系统现已应用于淮南顾桥矿主副井多绳摩擦提升系统。立井提升机整体是一个质量和刚度分布十分不均匀的，由若干个零部件组成的大型复杂的机器系统，在计算分析振动时，首先要做出较为合理的力学模型，使其既有利于理论分析计算，又能够满足工程上的精度要求。在把提升机整体的实际结构抽象为力学模型的过程中，认为井塔提升机大厅地基为刚性支承，略去各轴承座的弹性，把提升机系统离散成为多质点。本文采用有限元方法和ANS
YS有限元分析软件分析振动参数。
（1）有限元法。
一般连续问题近似求解的数值方法就是有限元。在结构的应力分析中最早使用，之后在热传导、电磁场、流体力学等连续问题中很快应用。有限元方法密切结合了工程应用，是为产品设计直接服务的。随着有限元理论的不断发展和完善，涌现了大量大小不一、专用的、通用的有限元结果分析程序。所以工程结构中的一般问题现在直接可以使用通用程序求解，不用再另编计算程序，节省了大量精力和时间。
有限元三维弹性动力学的基本方程是：
平衡方程
（在V域内）
几何方程（在V域内）
物理方程（在V域内）
边界条件（在边界上）
（在边界上）
初始条件
式中为质量密度；阻尼系数；和分别为对的二次导数和一次导数，即分别表示方向的加速度和速度。和分别为惯性力和阻尼力（取负值）。结构在随时间而变化的荷载作用下，位移、速度、加速度、应变、应力将都是时间的函数。
（2）有限元三维实体动力分析步骤。
三维实体有限元动力分析的一般步骤可以表述如下。
①连续区域的离散化。
在动力分析中，因为引入了时间坐标，处理的是四维问题。在有限元分析中一般采用部分离散的方法，即只对空间域进行离散。
②构造插值函数。
由于只对空间域进行离散，所以单元内位移的插值表示是
③简化求解方程。
利用Galerkin提出的平衡方程与力的边界条件的等效积分形式，同时将位移空间离散后的表达式和初始条件
代入，最终得到系统的求解方程常微分方程组。原则上可利用求解常微分方程组的常用方法（例如Runge-Kutta方法）求解，但是在有限元动力分析中，因为矩阵阶数很高，用这些常用算法一般是不经济的。本文主要用直接积分法和振型叠加法。
（3）有限元分析软件ANSYS。
本文对提升机转轴组件系统的模态分析使用的是美国大型ANSYS有限元分析软件。ANSYS软件本身融合了结构、热、液体、电磁、声学，有限元分析作为基础的大型通用CAE软件。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。由于ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析，任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略，因此这里假设系统为线性系统，进行有限元剖分时采用了梁单元、质量单元和弹簧单元，计算了满载时前15阶模态频率见表1，同时利用MATLAB绘制出了前4阶振型图见图3。
4 结论
分析计算模态的结果可以看出，如果该频率和转轴组件系统的轴向、径向和扭转震动的模态频率，频率处会比较容易出现峰值，计算模态分析结果会等同于实测信号的分析结果，而模态频率附近的频带范围经常出现谱峰，也就是转轴组件系统的动态的实际情况是和建立的有限元计算模型相符的。我们将进一步对模型进行优化改进，为今后煤矿立井提升系统的振动改善做出理论指导。
参考文献
[1] 廖薇，王华，王欢.等.多绳摩擦主提升机的振动测试与分析[J].媒体工程，2008，（7）：69-71.
[2] 贾现召，季晔，张步斌，等.多绳摩擦式提升机主轴振动模态分析研究[J].制造业自动化，2007（10）：82-84.
[3] 洪源，王凤文，李素敏.矿井大型直流提升机电器振动研究[J].煤炭技术，2007（10）：27-29.
[4] 刘芬，孟淑琴.矿井提升机振动监测系统的设计及其故障诊断[J].工矿自动化，2008（2）：108-110.
[5] 叶先磊，史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京：清华大学出版社，2003.