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1、(10)申请公布号 CN 103712682 A (43)申请公布日 2014.04.09 CN 103712682 A (21)申请号 201310656475.1 (22)申请日 2013.11.30 G01H 17/00(2006.01) (71)申请人 安徽恒源煤电股份有限公司 地址 234000 安徽省宿州市埇桥区西昌路 157 号 (72)发明人 张宏忠 杨行 徐辉 王长春 解波 (54) 发明名称 基于有限元分析法的主井提升机主轴振动监 测方法 (57) 摘要 本发明本发明公开了一种基于有限元分析 法的立井提升机主轴振动检测方法， 根据立井提 升机的特殊结构采用一体化振动变送器检。
2、测提 升机主轴的振动频率幅度等数据， 并采用变送器 将振动信号转为 4-20MA 模拟信号传送给现场的 S7-300PLC， 然后经 PLC 处理后采用 RS485 总线经 CP343-1LEAN总线转换器转换成PC机上能识别的 TCP/IP 以太网信号， 进而经井下环网送入位于监 控室内的上位机并由上位机中的组态王软件接收 然后传输给内置 MATLAB 软件的有限元算法模型 中， 经过演算获得较准确的未来发展趋势预警， 并 将数据实时显示在上位机上， 通过监控室的 PC 机 实时监测提升机的安全运行， 以确保煤矿生产的 安全稳定。 本发明从立井提升机安全性出发， 结合 日常运行的实际情况， 。
3、充分利用有限元算法的优 点对提升机运行状况进行预测， 以实现在事故情 况未发生时， 及时进行警告修理， 以确保井下工作 人员的安全。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103712682 A CN 103712682 A 1/1 页 2 1. 基于有限元分析法的立井提升机主轴振动检测方法， 其特征在于 ： 基于远程监控技 术， 并采用变送器将振动信号转为4-20MA模拟信号传送给现场的S7-300PLC， 然后经PLC处 理后采用 。
4、RS485 总线经 CP343-1LEAN 总线转换器转换成 PC 机上能识别的 TCP/IP 以太网信 号， 进而经井下环网送入位于监控室内的上位机并由上位机中的组态王软件接收然后传输 给内置 MATLAB 软件的有限元算法模型中， 经过演算获得较准确的未来发展趋势预警， 并将 数据实时显示在上位机上， 包括以下步骤 ： (1) 根据待检测立井提升机的具体情况， 设置传感器分布， 采用一体化振动变送器检测 主轴振动的频率及幅度 ； (2) 在所述上位机中， 装有组态王软件和 MATLAB 软件， MATLAB 软件用来对采集的数据 通过有限元算法进行运算并对数据趋势进行预测， 组态王软件用来。
5、时时显示这些数据代表 的提升机主轴振动的变化趋势， 其中振动传感器采用一体化设计， 该传感器集传感器和变 送器为一体， 采用高精度集成电路， 输出为 4-20mA 电流信号， 方便终端进行采样。 (3) 变送器将检测到振动信号转换成 4-20MA 的电流信号， 再由 PLC 的模拟量输入模块 进行信号采集， 由PLC内部编程进行信号的换算和转换， 将振动数据转换成RS485数据送到 RS485 总线上， RS485 总线上的数据通过连接的 CP343-1LEAN 总线转换器转换成 PC 机上能 识别的 TCP/IP 以太网信号， 进而经井下环网送入位于监控室内的上位机并由上位机中的 组态王软件。
6、接收然后传输给内置 MATLAB 软件的有限元算法模型中 ； (4)MATLAB 通过有限元算法建立有限元算法模型， 其数据是由振动变送器检测到的主 轴的振动频率幅值等数值组成， 通过有限元算法结合组态王软件进行演算可以获得较准确 的未来发展趋势预警， 对立井提升机的运行状况进行预测， 并将数据实时显示在上位机上。 2. 根据权利要求 1 所述的基于有限元分析法的立井提升机主轴振动检测方法， 其特征 在于 ： 所述组态王软件和 MATLAB 软件通过 OPC 技术进行通信。 权 利 要 求 书 CN 103712682 A 2 1/5 页 3 基于有限元分析法的主井提升机主轴振动监测方法 技术。
7、领域 0001 本发明涉及矿井立井提升机安全提升检测方法领域， 具体为一种基于有限元分析 法的立井提升机主轴振动检测方法。 背景技术 0002 提升机是煤矿重要设备， 它能否安全稳定运行直接关系到煤矿的安全生产。然而 我国的煤矿大多使用的是塔式多绳摩擦提升机， 主井提升电机的主轴装置及天轮作为主要 承载部件， 其运行状况正常与否直接影响生产的效率和安全， 关系到整个系统的稳定和安 全。 0003 据研究发现， 70以上的旋转机械故障是由振动引起的， 振动状态是衡量旋转机 械运行状态好坏的一个重要因素。振动过大危害极多， 它可直接造成机械事故。过去， 只有 在提升机的运行出现问题或者拆开设备检查。
8、， 才知道机器中某部分发生了故障。为了确保 机器的正常运行， 不得不规定定期维修检查制度， 既不经济又不合理。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种基于有限元分析法的立井提升机主轴振动检测方法并 进行远程实时监测， 以解决现有技术效率低下无法实现实时监测立井提升机安全运行状况 的问题。 0005 为了达到上述目的， 本发明所采用的技术方案为 ： 0006 基于有限元分析法的立井提升机主轴振动检测方法， 其特征在于 ： 基于远程监控 技术， 并采用变送器将振动信号转为4-20MA模拟信号传送给现场的S7-300PLC， 然后经PLC 处理后采用 RS485 总线经 CP343-1LEAN 。
9、总线转换器转换成 PC 机上能识别的 TCP/IP 以太网 信号， 进而经井下环网送入位于监控室内的上位机并由上位机中的组态王软件接收然后传 输给内置 MATLAB 软件的有限元算法模型中， 经过演算获得较准确的未来发展趋势预警， 并 将数据实时显示在上位机上， 包括以下步骤 ： 0007 (1) 根据待检测立井提升机的具体情况， 设置传感器分布， 采用一体化振动变送器 检测主轴振动的频率及幅度 ； 0008 (2) 在所述上位机中， 装有组态王软件和 MATLAB 软件， MATLAB 软件用来对采集的 数据通过有限元算法进行运算并对数据趋势进行预测， 组态王软件用来时时显示这些数据 代表的。
10、提升机主轴振动的变化趋势， 其中振动传感器采用一体化设计， 该传感器集传感器 和变送器为一体， 采用高精度集成电路， 输出为 4-20mA 电流信号， 方便终端进行采样。 0009 (3) 变送器将检测到振动信号转换成 4-20MA 的电流信号， 再由 PLC 的模拟量输入 模块进行信号采集， 由PLC内部编程进行信号的换算和转换， 将振动数据转换成RS485数据 送到 RS485 总线上， RS485 总线上的数据通过连接的 RS232/RS485 总线转换器转换成 PC 机 能识别的电平， 将数据经RS232总线送到上位机的RS232接口， 随即送入上位机中的组态王 软件并送到 MATLA。
11、B 软件的有限元算法模型中 ； 说 明 书 CN 103712682 A 3 2/5 页 4 0010 (4)MATLAB 通过有限元算法建立有限元算法模型， 其数据是由振动变送器检测到 的主轴的振动频率幅值等数值组成， 通过有限元算法结合组态王软件进行演算可以获得较 准确的未来发展趋势预警， 对立井提升机的运行状况进行预测， 并将数据实时显示在上位 机上。 0011 所述的基于有限元分析法的立井提升机主轴振动检测方法， 其特征在于 ： 所述组 态王软件和 MATLAB 软件通过 OPC 技术进行通信。 0012 本发明根据立井提升机的特殊结构采用一体化振动变送器检测提升机主轴的振 动频率幅度。
12、等数据， 基于远程监控技术， 并采用变送器将振动信号转为 4-20MA 模拟信号传 送给现场的S7-300PLC， 然后经PLC处理后采用RS485总线经CP343-1LEAN总线转换器转换 成 PC 机上能识别的 TCP/IP 以太网信号， 进而经井下环网送入位于监控室内的上位机并由 上位机中的组态王软件接收然后传输给内置 MATLAB 软件的有限元算法模型中， 经过演算 获得较准确的未来发展趋势预警， 并将数据实时显示在上位机上， 通过监控室的 PC 机实时 监测提升机的安全运行， 以确保煤矿生产的安全稳定。 0013 本发明从立井提升机安全性出发， 结合日常运行的实际情况， 充分利用有限。
13、元算 法的优点对提升机运行状况进行预测， 以实现在事故情况未发生时， 及时进行警告修理， 以 确保井下工作人员的安全。 0014 本发明的优点是 ： 0015 本发明电路简单、 数据传输可靠、 预测精度高、 稳定性好、 寿命长并采用先进的有 限元算法对立井提升机的安全运行进行预测并实现了远程实时监测， 节省了大量的人力物 力， 而且采用组态王软件作为实时监控界面， 界面友好。 附图说明 0016 图 1 为本发明结构框图。 0017 图 2 为本发明提升机振动力学模型。 0018 图 3 为本发明基于有限元算法的提升机的主要特征频率。 具体实施方式 0019 如图 1 所示， 首先根据立井提升。
14、机的特殊结构采用一体化振动变送器检测提升机 主轴的振动频率幅度等数据， 并采用变送器将振动信号转为 4-20MA 模拟信号传送给现场 的 S7-300PLC， 然后经 PLC 处理后采用 RS485 总线经 CP343-1LEAN 总线转换器转换成 PC 机 上能识别的 TCP/IP 以太网信号， 进而经井下环网送入位于监控室内的上位机并由上位机 中的组态王软件接收然后传输给内置 MATLAB 软件的有限元算法模型中， 经过演算获得较 准确的未来发展趋势预警， 并将数据实时显示在上位机上， 通过监控室的 PC 机实时监测提 升机的安全运行， 0020 1、 有限元算法的理论基础 0021 有限。
15、元是近似求解一般连续问题的数值方法。它最先应用于结构的应力分析， 很 快就广泛应用于求解热传导、 电磁场、 流体力学等连续域问题。 0022 有限元方法是与工程应用密切结合的， 是直接为产品设计服务的。因而随着有限 元理论的发展与完善， 各种大大小小、 专用的、 通用的有限元结构分析程序也大量涌现出 说 明 书 CN 103712682 A 4 3/5 页 5 来。目前， 一般的工程结构分析问题， 都可以直接用通用程序求解， 不必花费精力和时间另 编计算程序。 0023 三维弹性动力学的基本方程是 ： 0024 平衡方程 ij， j+fi=ui， tt+ui， t ( 在 V 域内 ) 002。
16、5 几何方程 ( 在 V 域内 ) 0026 物理方程 ij=Dijklkl ( 在 V 域内 ) 0027 边界条件 ( 在 Su边界上 ) 0028 ( 在 Su边界上 ) 0029 ui(x， y， z， 0)=ui(x， y， z) 0030 初始条件 0031 ui， t(x， y， z， 0)=ui， t(x， y， z) 0032 式中 是质量密度 ； 阻尼系数 ； ui， tt和 ui， t分别是 ui对 t 的二次导数和一次导 数， 即分别表示 i 方向的加速度和速度。ui， tt和 ui， t分别代表惯性力和阻尼力 ( 取负 值 )。结构在随时间而变化的荷载作用下， 位移、。
17、 速度、 加速度、 应变、 应力将都是时间的函 数。 0033 三维实体有限元动力分析的一般步骤可以表述如下 ： 0034 连续区域的离散化 0035 在动力分析中， 因为引入了时间坐标， 处理的是四维 (x， y， z， t) 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。 0036 . 构造插值函数 0037 由于只对空间域进行离散， 所以单元内位移 u， v， w 的插值表示是 0038 0039 0040 0041 或 u=Nae 0042 0043 其中， Ni=NiI3X3(i 1， 2， L， n) 0044 说 明 书 CN 103712682 A 5 。
18、4/5 页 6 0045 . 形成系统的求解方程 0046 平衡方程及力的边界条件的等效积分形式的 Galerkin 提法可表示如下 ： 0047 0048 对上式的第一项进行分部积分， 并代入物理方程， 则从上式可以得到 0049 0050 将位移空间离散后的表达式和 (u1=u， v1=v， w1=w) 代入上式， 并注意到结点位移变 分 a的任意性， 就最终得到系统的求解方程 0051 Ma(t)+Ca(t)+Ka(t)=Q(t) 0052 其中 a(t) 是系统的结点加速度向量， M， C， K 和 Q(t) 分别是系统的质量矩阵、 阻尼 矩阵、 刚度矩阵和结点载荷向量， 分别由各自的。
19、单元矩阵和向量集成 0053 Me= Me， Ke= Ke， Ce= Ce， Qe= Qe 0054 0055 分别是单元的质量矩阵、 刚度矩阵和阻尼矩阵。 0056 提升机振动力学模型的建立 ： 0057 立井提升机的力学模型的建立是基于对此类大型机械系统的抽象与概括， 其系统 具有整体刚度和质量非均匀分布、 含多个独立零部件等特点。合理的力学模型既可以方便 理论计算又可以满足工程上精度的需求， 对于有效分析提升机的震动起到关键的作用 0058 为把提升机整体抽象成为一个力学模型， 我们把整个提升机系统进行分段， 看做 是由多个相关但独立的质点所组成， 将整个提升系统简化成为一根无质量的、 。
20、轴上集中地 作用有若干个质量的多自由度系统。如图 2 所示， 第一跨度为电动机部分， 第二跨度为减速 器部分， 第三跨度为提升机主轴部分。 由于主轴上安装有轮毂， 轮毂的安装一定程度上限制 了主轴的变形， 因而提高了主轴的刚度， 所以在计算主轴的刚度时， 要考虑轮毂的安装对主 轴刚度的加强作用， 把轮毂与主轴作一个整体来考虑， 即取轮毂的直径作为主轴的直径， 用 参数来描述轮毂对主轴的紧固程度， 并引入联轴器的联结刚度参数来表明联接处的刚度的 减少程度。 0059 振动故障诊断的有限元分析 ： 0060 有限元是近似求解一般连续问题的数值方法。对与连续域问题如电场、 磁场、 流 体力学等的应用。
21、较为普遍。本文将整个提升系统的振动抽象成一个线性的动力学模型， 运 用有限元的分析方法辅以计算机软件进行计算， 从而达到振动故障的诊断与震源位置的判 断。 0061 2. 基于有限元分析法的提升振源分析与诊断 0062 振源因素 0063 一般振源主要来自三方面 ： 0064 (1)机器旋转部分的偏心。 其特征是振动频率与偏心旋转部件的旋转频率成正比。 0065 (2)非力偶传递力矩。 它的特征是振幅与载荷成正比， 频率和非力偶传递元件的相 同。 说 明 书 CN 103712682 A 6 5/5 页 7 0066 (3) 其他振源。其特征是振动频率与产生振源设备的转数 ( 冲击 ) 频率相。
22、同 0067 为了从旋转机械的振动信号中检出激振频率， 确定激振原因， 一般采用频域分析， 利用有限元分析算法分析计算采样的振动数据， 计算得到固有频率、 阻尼、 应变等参数， 对 比下表， 在编程中实现查找比较， 确定振动的振源， 一旦振动出现异常， 我们即可根据振源 诊断确定故障原因， 便于故障的排除和后期的故障分析处理以及改进工作。 0068 振源分析与诊断 0069 为了从旋转机械的振动信号中检出激振频率， 确定激振原因， 一般采用频域分析， 利用前面介绍的有限元分析算法分析计算采样的振动数据， 计算得到固有频率、 阻尼、 应变 等参数， 对比图 3， 在编程中实现查找比较， 确定振动的振源， 一旦振动出现异常， 我们即可 根据振源诊断确定故障原因， 便于故障的排除和后期的故障分析处理以及改进工作。 说 明 书 CN 103712682 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103712682 A 8 。