矿井提升机天轮轴承润滑系统设计与应用研究

王彦栋，寇子明，李腾宇

(1.太原理工大学 机械运载与工程学院，山西 太原 030024；2.山西省矿山流体控制工程技术研究中心，山西 太原 030024；3.矿山流体控制国家地方联合工程实验室，山西 太原 030024)

煤矿现场调查研究表明，轴承故障类型中80%属于磨损和疲劳导致的故障，而此类故障中又有85%是由润滑问题引起的[1]，因此采用自动润滑系统进行天轮轴承维护是提高轴承寿命的有效手段。然而，目前天轮组轴承的润滑工作仍然依赖人工操作。润滑时，工人需要带着几十斤的润滑脂攀爬数十米高的天轮平台上，对轴承进行润滑。润滑过程繁琐且劳动强度大，润滑效果依赖于工人经验，存在着润滑不均匀的问题。在寒冷天气下，润滑脂流动特性的改变使得润滑更加困难，且效果难以保证[2]。因此设计天轮组轴承润滑系统并将其应用到现场轴承润滑作业中成为亟待解决的问题。

润滑是旋转机械中必不可少的维护措施，因此国内外学者对润滑系统进行了大量的研究。毛君等针对煤矿井下设备设计了脂质自动润滑系统，实现润滑脂的多点及远距离输送供应[3]。程志新设计了风电主轴承的集中润滑和废脂回收系统，满足风电轴承润滑需求[4]。俞伟林等回顾了风电轴承润滑油脂状态的离线和在线监测方法，指出轴承故障大多是由于使用了不合适的或者不可靠的润滑油脂引起的，保持润滑油脂的状态能够避免很多轴承故障的发生[5]。因此，准确测量润滑状态也是润滑研究中的关键问题。尚慧岭基于油液分析与铁谱技术，不停机预知刮板运输机减速器故障[6]。张强提出了数控加工中心智能型润滑系统，通过模糊逻辑控制算法对采集的温度数据处理，判断润滑状态，实现润滑系统的智能控制[7]。Kleemola等通过接触电阻和温度在线检测润滑条件，并通过实验验证了所提方法是可行性[8]。冯存傲等测试了低速重载工况下不同润滑脂对齿轮的润滑效果，实验结果表明润滑效果良好时温度最小[9]。以上研究在润滑系统设计以及润滑状态识别方面均取得了较大进展，但是在天轮轴承润滑研究中，目前鲜有润滑系统的应用报道。

由于天轮组运行过程中游动轮的注油孔位置会不断变化，这导致现有天轮结构下难以实现轴承和轴瓦的自动润滑。目前对天轮轴承润滑的研究主要聚焦在这一问题上。吴楠等探讨了利用天轮轴中心孔输送油脂实现自动润滑的可行性[10]。杨芬也提出在天轮轴中心布置注油孔，实现轴承与轴瓦的润滑的自动润滑方案[11]。以上研究所提的润滑方案需要对原来的天轮轴进行加工，但对于煤矿现场大型提升设备而言，天轮设备结构改进涉及多方面内容，难以在短期内实现，因此目前天轮润滑的研究均停留在理论阶段，与现场工人的紧急需求形成强烈矛盾。针对以上问题，本研究结合现场天轮结构，设计了天轮轴承润滑系统，研究润滑状态识别方法，采用自动润滑和人工辅助相结合的方式实现天轮轴承润滑。

1 天轮智能润滑系统方案设计

1.1 天轮润滑系统需求分析

天轮作为大型旋转机构，其轴承系统主要包括轴端的滚动轴承和支撑游动轮的滑动轴承。对天轮润滑主要是对轴端轴承和游动轮轴承进行润滑，润滑点的位置如图1所示。轴两端的滚动轴承固定在轴承座上，其注油孔布置在轴承座外侧。游动轮轴承的注油嘴通常布置在天轮轮缘附近，通过注油管路连通到轴瓦处进行润滑。提升系统运行时，滚动轴承注油孔位置不发生变化，而游动轮注油嘴随着天轮转动，因此运行过程中难以对游动轮轴承进行润滑，只能辅以人工操作完成天轮轴承系统润滑。

图1 四绳天轮组润滑点示意

天轮轴承系统的润滑介质为润滑脂。润滑脂具有独特的流变特性和润滑机理，高温下润滑脂表现出良好流动性；低温下表现出较高的粘度，会造成加注困难的问题[12]。润滑脂失效后，会出现发黑、干燥、硬化等变化，会极大影响轴承润滑效果[13]。除了润滑脂特性带来的影响外，人工润滑时为了防止缺乏润滑脂，工人通常加注到润滑脂从轴承处溢出为止。溢出的油脂会随天轮组的转动甩到天轮平台上，造成整个天轮平台的污染。

综上所述，为了改善天轮组轴承润滑效果，设计的天轮组智能润滑系统必须具备以下功能：①判断轴承的异常润滑状态，保证润滑效果的持续性和均匀性；②实时采集润滑系统运行参数，及时发现低温凝固或管路堵塞等故障现象；③能够进行管路保温和加热，解决室外低温环境对润滑脂的影响；④实现废弃润滑脂的排出，避免润滑脂注入过多向外溢，以及润滑脂失效影响轴承运行的问题。

1.2 总体方案设计

针对天轮结构，设计的润滑系统总体方案示意如图2(a)所示，主要由滚动轴承润滑装置、滑动轴承润滑装置、废脂回收装置、在线监测装置、润滑系统控制器组成。其中滚动轴承润滑装置、滑动轴承润滑装置、废脂回收装置为主要的执行机构；在线监测装置用于采集轴承以及润滑系统运行参数，用于判断润滑状态；润滑系统控制器主要由系统处理中心(上位机和PLC控制器)和中间控制器组成，用于控制执行机构。

图2 润滑系统总体方案示意

对滚动轴承而言，注油孔位置固定不变，采用自动润滑泵便可直接为滚动轴承润滑。基于此，设计的滚动轴承润滑装置如图2(b)所示。自动润滑泵按照设定的程序自动加注润滑脂，润滑泵每次泵出的油脂为定量，休止时间和加注时间可以调整，根据滚动轴承对润滑脂的消耗，合理调整休止时间和加注时间，保持轴承内部处于良好的润滑状态。

对滑动轴承润滑时，当提升系统工作时天轮处于旋转状态，注油管路随着旋转，此时难以实现自动润滑。天轮静止注油时，需要工人与提升机房司机不断沟通慢速开车调整注油孔位置，采用油枪自动对中注油管路实现难度大，过程复杂，需要人工辅助完成。设计的滑动轴承润滑装置在游动轮注油孔上设置通用油杯代替螺塞，注油枪上采用锁钳式油嘴以方便快速与油杯连接紧固，利用电动润滑泵实现润滑脂的输送，如图2(c)所示。

采用气泵和收集瓶共同收集轴承座内的废油，如图2(d)所示。气泵的运行时间和休止时间可以通过在线监控装置设置，根据实际工况设定。在气泵的吸气口设置换向阀，采用单独抽取废油模式，每次只抽取其中一个轴承座内的废油，达到设定运行时间后抽取另一个轴承座内的废油。

同时考虑到天轮环境温差大，润滑泵站以及管路外部增设辅热套管，低温时可启动加热功能保证润滑脂的正常注入。

润滑系统的控制方案如图3所示，由上位机、PLC控制器和中间控制器组成的润滑控制器根据在线监测模块反馈信息，选择设定好的润滑策略控制润滑系统对润滑点进行有序润滑以及废油回收，同时润滑控制器通过无线模块与司机室内的上位机相互通讯，完成对润滑系统的控制。

图3 润滑系统控制方案

对润滑系统的控制依据润滑策略进行，良好的润滑策略能够保证润滑效果。润滑策略主要内容包括合适的润滑时间间隔、加注量、润滑状态判断等。由于现场提升系统运行工况复杂，提升系统工作时长不规律，频繁的启停运行使天轮轴承存在欠润滑的情况；而且提升钢丝绳张力不平衡使得天轮轴承受力不均匀，可能存在个别轴承磨损严重时距下一次周期润滑时间较长，固定周期的润滑策略难以满足润滑需求，此时需要对润滑状态进行识别，由此判断是否需要调节润滑周期和润滑量。对润滑周期和润滑量的调节可以采用定步长增减的方式进行调整。

2 润滑状态识别方法研究

2.1 轴承润滑状态特征值提取

不良的轴承润滑状态会引起温度升高[14-16]，因此轴承的温度可以作为表征润滑状态的指标。提升系统天轮组位于户外，受外界环境温度影响大，冬夏季节天轮轴承温度相差超过30 ℃，如图4所示。从图4中可以看出冬季时轴承最低温度低于0 ℃。在提升系统运行过程中，轴承温差值迅速上升。停止运行后轴承温度逐渐平缓下降。夏季时轴承最高温度达到35 ℃。当提升机运行时轴承温度开始上升，对应的温差值迅速增加。当提升机停止运行后，轴承温度下降，温差值变化幅度减小。从整体变化趋势而言，不同季节时轴承温度及温差值变化趋势基本相同，温差值受外界环境温度影响小，受提升系统运行状态影响大。因此可采用轴承的温差值进一步分析不同润滑状态对轴承温度的影响。

图4 冬夏季提升系统天轮轴承温度及温差变化

2.2 润滑状态识别方法研究

为了对润滑效果进一步表分析，采用Tukey控制图方法自适应确定阈值对润滑状态识别。Tukey控制图是一种简单有效的异常数据检验方法，可根据数据自适应的确定阈值，其无需先验经验和知识，仅依靠给出的数据进行判断，适用于小样本数据且不受异常值的影响[17]。基于Tukey控制图的欠润滑状态识别详细步骤如下：

1)首先对提升系统运行期间轴承温度提升阶段的温差数据tem(n)进行预处理。以m个样本点为一组将温差数据分为k组，N=k×m，N为温差数据总样本点数，m可根据一个提升循环时间以及采样频率计算，选取每一组m个样本点中最大值作为特征值构建新的数列ntem(k)。

2)将ntem(k)按照数值从小到大排列，得到数列ntem′(k)，将其从中间划分为两段长度相等的数列。

3)计算前段数列居中的数值位置及大小。

计算后段数据居中的数值位置LUF及大小。

4)计算VDF和VUF的差值Vc，并计算最大估计值QUF。

QUF=VUF+kUF×Vc

(3)

其中，kUF为常数，根据具体应用背景确定。以计算的最大估计值作为阈值，当温差值大于该值时可判定存在异常。

以上述算法对一个润滑周期内天轮轴承温差数据处理，温度数据通过北京威斯特中航科技有限公司的SBW一体化温度变送器进行采集，其量程为-30～70 ℃，基本误差为±0.2%F.S。温度数据处理结果如图5所示。从图5中可以看出初始润滑后温差变化幅度小，以此时温差变化情况为基准计算得到阈值大小用红色虚线表示，可以看出润滑良好时最大温差值小于自适应阈值，但由于人工润滑时润滑的均匀性和持续性得不到保证，最大温差值开始超过阈值，且随着时间增加超过的范围越大，直到下一次润滑后最大温差值再次小于阈值。

图5 润滑周期内天轮轴承温差变化与阈值关系

综上所述，采用天轮轴承的温差值作为指标可以反映提升系统的运行状态，在相同的提升工况下可以用于反映天轮轴承的润滑情况。而通过Tukey控制图可以自适应的确定温差特征值的阈值，通过与阈值比较可以快速的确定轴承润滑状态。

3 天轮轴承润滑系统现场试验研究

基于以上研究，构建了天轮轴承润滑系统，并在某矿副井多绳摩擦提升系统进行现场试验。该矿最大提升高度为703 m，提升钢丝绳数为4根，提升速度分别为7 m/s(提人)和7.5 m/s(提物)，天轮离地面高度约为35 m，天轮直径为3500 mm。

润滑系统包括：润滑脂电动加注机、泵油装置、废油回收装置、末端监测装置、在线监测装置、防护箱、管路、线路及附件，安装在天轮平台上不影响人员通行的地方；上位机和一个信号收发器安装在中控室。润滑脂电动加注机固定在支架上，支架焊接在天轮操作平台上面。泵油装置、气泵、中间处理器、换向阀等安装在一个防护箱内，该防护箱固定在支架上，支架同样焊接在天轮操作平台上面。电控箱固定在支架上，将支架焊接在天轮平台上面。信号收发器固定在钢管侧面，将钢管焊接在天轮操作平台的栏杆上面。管路沿天轮操作平台铺设，线路穿线管后沿操作平台铺设，均采用管卡固定。煤矿现场可根据实际需求修改注油周期和注油量，实现定时定量自动润滑。

润滑过程中可以实时显示系统注油压力值，并对上次注油时间进行记录，方便维护人员了解轴承注油润滑情况。泵油装置可以通过监测油脂高度判断是否需要补充油脂，从而实现油脂的自动补充。对轴承润滑不良的识别则是通过温度差与自适应阈值的比较来确定。当轴承温度差多次出现大于阈值的情况时，则以定步长的方式调整润滑周期和润滑量，同时启动润滑系统开始作业。自动润滑系统维护下天轮轴承温度差值及对应的自适应阈值如图6所示。

图6 自动润滑时轴承温差变化

可以看到，此时温度差值远远小于阈值，且多个循环过程中天轮轴承温度并未出现突增情况，整体变化平稳，说明天轮智能润滑系统对轴承维护的有效性。但值得注意的是，由于提升机运行环境恶劣，工况复杂，所提的自适应阈值方法在特定的工况下可以实现润滑状态识别，但在多变的工况下并不能保证较高的准确率，复杂工况下的润滑状态识别方法仍需进一步研究。此外，本研究设计的润滑系统对于轴瓦的润滑仍为人工辅助，如何考虑游动轮的工作空间限制及工作特性来设计轴瓦的自动润滑，将是本研究后续的主要工作。

4 结 论

本文针对天轮轴承的润滑问题，设计了天轮轴承润滑系统，提出了轴承润滑状态识别方法，并进行了润滑系统的现场应用测试，得到的主要成果和结论如下：

1)设计了天轮轴承润滑系统，具有滚动轴承自动润滑、游动轮轴承人工辅助润滑、废脂回收功能，实现润滑脂的定时定量多点输送；并提出基于润滑状态识别的润滑周期和润滑量调节方法，以满足现场复杂多变的运行工况。

2)研究了基于自适应阈值的天轮滚动轴承润滑状态识别方法，研究表明温度差可以作为识别润滑状态的特征值，在特定工况下自适应阈值法可以实现润滑不良状态的检测。

3)天轮轴承润滑系统现场试验结果表明，润滑系统可以实现定时定量自动润滑功能，可以保证了润滑效果的持续性和均匀性，对天轮轴承达到良好的维护效果。