1 绪论
1.1 课题来源
本课题来源于国家自然科学基金项目“基于传感网的超深立井提升系统健康监测方法”（编号：51275513）和国家自然科学基金项目“基于多时间尺度模型的变工况大型旋转机械健康管理研究”（编号：51475455），主要以信号处理的理论和方法为基础开展立井提升刚性罐道系统的健康监测研究工作。
煤炭工业是关系我国经济命脉和能源安全的重要基础产业，支撑着我国国民经济的快速增长。近年来，随着我国能源结构地不断优化，煤炭的消费占比受到了一定程度的压缩。但在短期内，煤炭的主体能源地位不会改变。虽然我国是世界上煤炭产量第一的国家，但是与发达国家相比，我国的煤炭开采代价昂贵，煤矿安全事故频频发生，不仅影响整个矿山的生产，严重时甚至造成机毁人亡的灾难性事故，给国民经济带来巨大损失[1, 2]。因此，《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）明确提出，“重点研究煤矿等生产事故、突发社会安全事件和自然灾害、核安全及生物安全等的监测、预警、预防技术”。
在我国煤炭的总产量中，
80%以上为井下开采[3]。立井提升系统作为井下生产工作面和地面工业广场相连接的枢纽，在矿山生产过程中占有极其重要的地位，肩负着提升煤炭和矸石、下放材料、升降人员和设备的作用[4]。
单绳缠绕式提升系统将两根钢丝绳的一端以相反的方向分别固定并缠绕在提升机的两个卷筒上，另一端绕过井架上的天轮分别与两个提升容器相连接。通过改变卷筒的转动方向，使钢丝绳分别在两个卷筒上缠绕和松放，从而完成提升容器的上升或下放。多绳摩擦式提升系统可分为塔式和落地式两种类型，将钢丝绳搭放在摩擦轮上，通过摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来实现提升容器在井筒中的往复运行。
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1.2国内外研究现状
立井提升刚性罐道系统的健康监测作为交叉应用性课题，涉及测试技术、信号处理、模式识别及寿命预测等领域。其研究重点是将健康监测的理论、方法及实施技术应用到立井提升刚性罐道系统中，实现刚性罐道系统的主动维修，降低故障率。
为了确保提升容器在刚性罐道上的安全运行，国内外学者对刚性罐道检测方法进行了大量研究，探索出几何测距法、专业仪器法、振动加速度法、惯性平台及运动梁等多种检测方法，按其测试工况和判别指标的不同，大致可分为静态测试法与动态测试法两大类[20]。
静态测试指在提升容器停止或慢速运行时对罐道的几何外形、安装尺寸、倾斜弯曲等进行检测。具体测试方法包括：
（1）几何测量法
主要思路是通过下放带重锤的钢丝作为垂直基准线，每隔一段高度测量钢丝至井筒中各罐道之间的垂直距离，通过对多次测量的数据进行分析，并与标准距离相比较来判别罐道的变形程度[21]。当钢丝受到矿井通风或外界扰动影响而发生横向摆动时，这种方法存在着较大的测量误差。
（2）专业仪器法
主要方法是设计或利用专业仪器对罐道进行检测，俄罗斯、波兰等国家对此方法有较早研究。俄罗斯矿山地质力学及矿山测量科学研究院研制的综合测量装备能够实现对罐道间距和偏斜的联合检测，包括测量罐道偏离垂直方向的偏斜角仪器、测量罐道间距变化的仪器、确定罐道在井筒内相互位置的仪器以及校正仪器等[22]。波兰学者利用井筒断面测量仪对罐道进行连续偏斜观测，其测量原理如图 1-5(a)所示。将激光对点器固定在罐道附近，在罐道上每隔一定距离安装带有刻度的金属盘。投射到该金属盘上的激光光斑中心点的刻度被读取和记录下来，并通过初始测量值和以后每个测量值之间的读数差来确定罐道偏离激光射线的偏差。在国内，阜新矿业学院科研所[23]研制的立井罐道测斜仪，采用放置在提升容器上的摆式倾角传感器测量每个测点的倾角大小，通过逐点计算积分得到每个测点和整体的罐道偏斜程度，如图 1-5(b)所示。贵鹏斐[24]设计的罐道间距测量仪，通过固定在罐笼顶部两端的激光测距传感器测量两列罐道之间的横向距离。李峰[25]基于 STM32 嵌入式技术设计的罐道形变检测系统，通过电涡流传感器采集滚轮罐耳位移，实现对罐道偏移量的实时监测。其它静态测试方法，如运动梁、惯性平台等操作复杂，可靠性不高。
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2 刚性罐道系统故障模拟实验平台
2.1 引言
刚性罐道系统是煤矿立井提升装备的导向装置，在矿山生产过程中起到关键作用。罐道系统的故障激励是引起提升容器异常振动的主要原因之一，因此有必要明确罐道系统故障的特征及其描述，研究罐道系统故障的响应模式和规律，进而对罐道系统的状态进行实时监测，降低煤矿安全事故的发生概率。
在实际煤矿生产中，刚性罐道系统工作环境恶劣，干扰因素多样。在生产现场通过设置罐道系统故障来开展本文的研究工作，不仅操作困难，影响生产效率，而且存在引发卡罐、断绳和坠罐等重大安全事故的隐患[114]。因此，需要在分析罐道系统故障机理的基础上，建立刚性罐道系统故障模拟实验平台并开展相关实验研究。
本章首先对刚性罐道系统常见故障进行了概述，分析了故障的成因和影响；接着，搭建了罐道系统故障模拟实验平台，并简要介绍了实验台的结构和数据采集系统；然后，针对罐道故障振动特性的主要影响因素，设计了模拟不同提升工况的实验方案；最后，从时域和时频域角度分析了罐道正常状态下提升绳特性对容器振动的影响，为后续罐道故障状态下容器振动响应的分析提供参照。
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2.2 刚性罐道系统常见故障概述
2.2.1 刚性罐道
提升容器在矿井井筒中沿着刚性罐道运行，罐道的故障势必会成为提升系统的激振源，对提升容器的运行状态产生影响。不同类型的罐道故障对提升系统的激励作用不同，因此需要分别对各类罐道故障进行分析。在实际煤矿生产中，刚性罐道的常见故障形式主要表现为以下几种类型[42, 43]：
(a) 倾斜：罐道由于安装误差或受采动、地形变化影响引起的整体偏移现象； (b) 弯曲：罐道由于加工、安装误差或提升机紧急制动时产生的轴向力作用引起的变形现象； (c) 磨损：因为罐道与罐耳之间摩擦作用产生的表面材料损失现象； (d) 表面粗糙：罐道由于加工质量、摩擦磨损等因素引起的表面不平顺现象； (e) 凸起：罐道由于表面附着异物或部分位置严重锈蚀等因素引起的局部突出现象；(f) 错位：相邻两节导轨在接头处出现的水平方向上的台阶型不平顺现象； (g) 间隙：相邻两节导轨在接头处出现的垂直方向上的距离增大现象。
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3 刚性罐道故障特性与影响因素分析 .................................. 29
3.1 引言 ................................ 29
3.2 故障类型对提升容器振动特性的影响 ............................... 29
3.3 刚性绳提升下罐道故障振动特性分析 ............................... 34
4 刚性罐道故障检测与诊断 ...................... 63
4.1 引言 .............................. 63
4.2 基于尺度平均小波能量的刚性罐道故障检测 ......................... 63
4.3 基于动态时间规整的刚性罐道故障诊断 ............................. 66
5 滚轮罐耳故障诊断与寿命预测 ....................... 86
5.1 引言 .................................... 86
5.2 基于改进的排列熵和支持向量机的滚轮罐耳故障诊断 ................. 86
5.3 基于广义威布尔故障率函数和径向基函数神经网络的滚轮罐耳寿命预测 . 98
5 滚轮罐耳故障诊断与寿命预测
5.1 引言
滚轮罐耳是刚性罐道系统的主要部件之一，承担着提升容器沿罐道上下运行的导向作用。由于井筒偏斜、罐道故障和提升绳振动等原因，罐耳时常受到提升容器的冲击。在前述罐耳的结构组成中，滚轮轴承由于抗冲击能力差，使得故障率较高[146]。作为罐耳的关键旋转机构，滚轮轴承的健康状态直接关系到罐耳的工作性能和提升系统的安全稳定。如果滚轮轴承发生故障，轻则激发提升容器的异常振动，影响容器平稳运行；重则导致罐耳卡死，使其完全丧失导向功能。因此，对罐耳进行健康监测，尤其是对滚轮轴承进行故障诊断和寿命预测研究，对提高矿井提升系统安全性和可靠性、保障提升容器平稳运行具有重要意义。
本章针对滚轮罐耳的故障诊断，提出了基于改进的排列熵和支持向量机的方法，融合随机平均算法，降低了样本波动对诊断效果的影响；针对滚轮罐耳的寿命预测，提出了基于广义威布尔故障率函数和径向基函数神经网络的方法，以敏感频带能量作为退化指标，达到了较高的预测精度。
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6 结论与展望
6.1 主要结论
立井提升刚性罐道系统作为提升容器运行的导向装置，在矿井生产和运输作业中具有极其重要的地位。由于处于矿山运输的咽喉部位，刚性罐道系统的故障不仅会影响提升系统的安全运行，故障引发的链式反应还将威胁到整个矿山的正常生产，严重时甚至引发机毁人亡的灾难性事故，给国民经济造成巨大损失。
刚性罐道系统由刚性罐道和滚轮罐耳组成，两者之间相互配合，共同引导提升容器在井筒中上下往复地运行。罐道系统的故障可分为刚性罐道的故障和滚轮罐耳的故障，这两部分的故障在煤矿实际提升系统中经常出现，频繁的启停和运行加剧了故障的发展。传统的事后维修和定期维修策略不仅存在成本高、效率低的缺陷，而且难以满足提升系统对安全运行的要求。因此，本文在综述国内外刚性罐道检测方法和机械设备健康监测技术的基础上，以刚性罐道系统为研究对象，以保障罐道系统安全稳定运行为目的，结合信号处理、特征提取、故障诊断和寿命预测的理论和方法，深入开展了立井提升刚性罐道系统健康监测的研究工作，主要的研究成果和结论总结如下：
（1）对刚性罐道系统常见故障进行了概述，分析了故障的成因和影响，明确了本文的研究对象和重点；结合矿井提升系统的结构特点和刚性罐道的故障机理搭建了罐道系统故障模拟实验平台，并开展了不同故障工况下的模拟实验，为后续罐道故障振动特性研究和罐道故障检测及诊断方法的研究提供了数据基础；分析了罐道正常状态下提升绳特性对容器振动的影响，从时域和时频域角度对比了振动特性的变化，为罐道故障状态下提升绳特性对容器振动响应的影响规律分析提供了参照。
（2）分析了不同类型罐道故障下提升容器的响应特性，结合提升过程对故障处的波形做出了物理解释，为后续刚性罐道的故障检测和诊断提供了依据。分别从刚性绳和柔性绳两个方面分析了不同工况参数对罐道故障响应的影响，刚性绳提升下罐道故障响应的幅值和能量随故障程度、提升速度和提升质量的增加分别呈现增大、增大和减小的趋势；柔性绳提升下罐道故障响应的幅值和能量随故障程度、提升速度和提升质量的增加分别呈现增大、增大和先增大后减小的趋势。容器的振动对间隙故障的容忍度高，而对凸起和错位故障更加敏感，因此须严格控制凸起和错位的故障程度。同时，在故障程度不引发罐耳阻塞的前提下，柔性绳提升的振动幅值小于刚性绳，使用柔性绳提升更有助于系统的平稳运行。
参考文献（略）