基于電信號(hào)融合的煤礦井下坑道鉆機(jī)故障預(yù)警

羅鵬平，王龍鵬，趙 良，張 銳，翁寅生，魯飛飛

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

全液壓坑道鉆機(jī)是目前我國煤礦井下瓦斯治理的重要鉆探機(jī)具。由于煤礦井下電氣設(shè)備具有嚴(yán)格的防爆要求，使得能夠用于煤礦井下的傳感檢測元器件種類較少，其設(shè)計(jì)開發(fā)成本較高。因此，煤礦井下鉆機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展受到了很大制約[1]。目前，鉆機(jī)的故障診斷主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。為了使司鉆人員實(shí)時(shí)了解鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，需要給鉆機(jī)配備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[2]。

全液壓坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)身配有電機(jī)啟動(dòng)柜，且啟動(dòng)柜一般都是隔爆型。因此，可以在啟動(dòng)柜腔體內(nèi)加裝普通霍爾傳感器和普通數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集三相異步電動(dòng)機(jī)的電信號(hào)。由于全液壓坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力、流量以及溫度等參數(shù)的檢測只能在隔爆腔體外進(jìn)行，這些傳感器只能選擇符合煤安認(rèn)證的特殊傳感器。因此，對(duì)于煤礦井下坑道鉆機(jī)而言，鉆機(jī)三相異步電機(jī)的三相電信號(hào)的獲取相對(duì)容易。

一臺(tái)設(shè)備的功率變化歷程蘊(yùn)含著該設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、工況負(fù)載等信息[3]。根據(jù)這一基本原理，西安建筑科技大學(xué)谷立臣教授提出了充分利用電氣參量提供的幅值、相位信息、相間和相序信息繪制單相和三相李薩如圖，計(jì)算電功率與李薩如圖特征量之間的定量關(guān)系。通過實(shí)時(shí)計(jì)算李薩如圖圖形面積、外接矩形面積、形狀、旋轉(zhuǎn)方向的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、工況等信息進(jìn)行有效在線監(jiān)測[4-6]。

1 電信號(hào)融合理論

在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，兩個(gè)方向垂直且頻率相同的簡諧運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，而電力系統(tǒng)中電網(wǎng)輸送的電壓和電流信號(hào)是頻率相同的正弦波。如果以電壓信號(hào)為橫軸，電流信號(hào)為縱軸建立平面直角坐標(biāo)系，則該坐標(biāo)平面內(nèi)的任意一點(diǎn)對(duì)應(yīng)著電網(wǎng)系統(tǒng)某一瞬時(shí)電壓和電流大小；因此，該平面內(nèi)的任意一點(diǎn)橫縱坐標(biāo)的乘積代表了電網(wǎng)系統(tǒng)的某一監(jiān)測點(diǎn)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)功率，故將該平面定義為電功率平面[7]。圖1為理想電功率軌跡，其由一個(gè)周期內(nèi)電壓和電流信號(hào)融合所得，A點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)乘積反映了電網(wǎng)系統(tǒng)某一監(jiān)測點(diǎn)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)功率情況。文獻(xiàn)[6]還從數(shù)學(xué)角度證明了橢圓面積與電功率之間存在簡單的正比例關(guān)系。

圖1 理想電功率軌跡

2 系統(tǒng)故障預(yù)警原理分析

在實(shí)際情況下，由電機(jī)定子側(cè)獲取的實(shí)測電信號(hào)往往不再是頻率單一的正弦波，其中常?；煊兄C波分量以及邊頻分量。因此，由實(shí)測電壓信號(hào)和實(shí)測電流信號(hào)融合所得電功率軌跡不再是標(biāo)準(zhǔn)橢圓。如圖2中實(shí)測電功率軌跡所示，虛線軌跡為基頻橢圓，即先對(duì)實(shí)測電信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提取實(shí)測信號(hào)中的基頻成分，然后將實(shí)測信號(hào)中的基頻電壓和基頻電流信號(hào)融合所得。

從系統(tǒng)能量角度來看，濾波前后系統(tǒng)的能量發(fā)生了變化，即圖2中實(shí)線軌跡圍成的平面圖形面積和虛線軌跡圍成的平面圖形面積有差別，二者之間面積之差反映了濾波處理后能量的損失情況。

圖2 實(shí)測電功率軌跡

由圖形直觀可得，實(shí)測電信號(hào)融合所得軌跡圍繞基頻橢圓軌跡發(fā)生畸變波動(dòng)，因此可以通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)二者的差異情況進(jìn)行定量分析，方法如下：

以基頻橢圓軌跡為實(shí)測信號(hào)軌跡的均值，對(duì)實(shí)測信號(hào)軌跡求方差：

設(shè)(u0,i0)為t時(shí)刻電功率平面內(nèi)基頻橢圓軌跡上的一點(diǎn)，(u,i)為同一時(shí)刻實(shí)測信號(hào)(未經(jīng)基頻提取處理)軌跡上與(u0,i0)對(duì)應(yīng)的一點(diǎn)，則實(shí)測信號(hào)軌跡相對(duì)于基頻橢圓軌跡的方差定義如(1)式所示，定義其為實(shí)測信號(hào)橢圓方差。

σ2=(u(t)-u0(t))2+(i(t)-i0(t))2

(1)

若將電信號(hào)一個(gè)完整周期內(nèi)的方差作為一個(gè)樣本，即每隔0.02 s求一次σ2，這樣就可以得到σ2隨時(shí)間變化的關(guān)系σ2(t)；從概率統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來看，σ2(t)為統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方差，它反映了實(shí)測信號(hào)軌跡以基頻橢圓軌跡為中心的波動(dòng)程度。從幾何角度分析，上式(1)反映了電功率平面內(nèi)任意兩點(diǎn)之間距離，即反映了某一時(shí)刻兩點(diǎn)間瞬時(shí)功率之間的差異情況。從這個(gè)角度出發(fā)，上述σ2的物理意義在于：其反映了任意時(shí)刻系統(tǒng)總的瞬時(shí)功率和基頻瞬時(shí)功率之間的差異。

電機(jī)作為整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)功率的輸入端，系統(tǒng)負(fù)載波動(dòng)都可能影響輸入功率。當(dāng)鉆機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械、液壓以及電氣等方面出現(xiàn)故障時(shí)就會(huì)引起鉆機(jī)整個(gè)系統(tǒng)能量發(fā)生變化，這種由故障引起的能量變化必然會(huì)傳遞到電機(jī)定子側(cè)，引起電機(jī)定子側(cè)電功率的波動(dòng)，并具體表現(xiàn)為電功率圖形軌跡的變化。因此可以通過監(jiān)測實(shí)測電信號(hào)軌跡相對(duì)于基頻橢圓軌跡的方差來實(shí)現(xiàn)全液壓坑道鉆機(jī)的故障預(yù)警。

3 試驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證該方法的有效性，針對(duì)兩種常見典型故障進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)電信號(hào)融合理論設(shè)計(jì)了圖3所示的故障預(yù)警實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如下：

三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)液壓泵，經(jīng)換向閥控制液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)軸端連接磁粉制動(dòng)器用于模擬系統(tǒng)負(fù)載。電機(jī)定子側(cè)安裝有霍爾傳感器用于電信號(hào)的檢測，傳感器測得模擬量信號(hào)經(jīng)過采集器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

圖3 故障預(yù)警實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)分別針對(duì)電氣故障中的匝間短路故障和機(jī)械故障中的轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障展開研究。在匝間短路故障中，實(shí)驗(yàn)電機(jī)為一臺(tái)2極三相鼠籠異步電機(jī)，實(shí)驗(yàn)在相同工況條件下，分別對(duì)電機(jī)u繞組三匝短接、五匝短接和不短接三種情況進(jìn)行了研究。在轉(zhuǎn)子不對(duì)中實(shí)驗(yàn)中，分別對(duì)轉(zhuǎn)子與液壓泵軸向不對(duì)中和對(duì)中兩種情況展開了研究。

3.2 故障預(yù)警實(shí)驗(yàn)分析

鉆機(jī)正常實(shí)測信號(hào)方差如圖4所示，實(shí)線為鉆機(jī)液壓系統(tǒng)在8 MPa恒定載荷下實(shí)測信號(hào)橢圓方差曲線，虛線為鉆機(jī)液壓系統(tǒng)在12 MPa恒定載荷下實(shí)測信號(hào)橢圓差曲線。由圖可知，不同負(fù)載工況下，實(shí)測信號(hào)方差曲線基本相同。

圖4 鉆機(jī)正常實(shí)測信號(hào)方差

上述結(jié)果表明，鉆機(jī)在正常工作時(shí)，由供電系統(tǒng)引入到電機(jī)定子側(cè)電信號(hào)的諧波分量是穩(wěn)定的。因此，實(shí)測信號(hào)方差曲線不受鉆機(jī)液壓系統(tǒng)負(fù)載變化影響，鉆機(jī)在正常工作狀態(tài)下所測得實(shí)測信號(hào)橢圓方差基本是一個(gè)恒定值。

圖5為三匝短路故障預(yù)警實(shí)測信號(hào)方差，是在鉆機(jī)液壓系統(tǒng)壓力均為10 MPa恒定載荷情況下，鉆機(jī)正常和鉆機(jī)故障兩種情況下所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。虛線為鉆機(jī)正常情況下實(shí)測信號(hào)方差曲線，實(shí)線為鉆機(jī)電機(jī)三匝短路故障時(shí)實(shí)測信號(hào)方差曲線。圖6為五匝短路故障預(yù)警實(shí)測信號(hào)方差曲線，是在鉆機(jī)液壓系統(tǒng)壓力均為10 MPa恒定載荷情況下，鉆機(jī)電機(jī)三匝短路和五匝短路時(shí)實(shí)測信號(hào)方差曲線，圖中實(shí)線代表了五匝短路時(shí)實(shí)測信號(hào)的方差曲線，虛線代表了三匝短路時(shí)實(shí)測信號(hào)方差曲線。

由此可知，鉆機(jī)出現(xiàn)電機(jī)匝間短路故障時(shí)的實(shí)測信號(hào)方差大于鉆機(jī)正常情況下的實(shí)測信號(hào)方差，而且隨著故障程度的加劇，實(shí)測信號(hào)方差增大。

圖5 三匝短路故障預(yù)警實(shí)測信號(hào)方差

圖6 五匝短路故障預(yù)警實(shí)測信號(hào)方差

以上實(shí)驗(yàn)中所涉及的故障為電氣故障，為了驗(yàn)證該方法對(duì)鉆機(jī)其它類型故障預(yù)警的有效性，試驗(yàn)還對(duì)鉆機(jī)中的機(jī)械故障進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。圖7為轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障預(yù)警實(shí)測信號(hào)方差，是電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中和轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)實(shí)測信號(hào)方差曲線，虛線為電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中情況下實(shí)測信號(hào)方差曲線，實(shí)線為電機(jī)與液壓泵之間轉(zhuǎn)子不對(duì)中時(shí)實(shí)測信號(hào)方差曲線。由結(jié)果可知，鉆機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障時(shí)的實(shí)測信號(hào)方差也大于鉆機(jī)正常狀態(tài)下的實(shí)測信號(hào)方差。

圖7 轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障預(yù)警實(shí)測信號(hào)

綜上所述，鉆機(jī)在出現(xiàn)匝間短路和轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障時(shí)所得實(shí)測信號(hào)方差均高于鉆機(jī)正常狀態(tài)下的實(shí)測信號(hào)方差，而且鉆機(jī)在出現(xiàn)匝間短路故障時(shí)實(shí)測信號(hào)方差隨著故障程度的加劇而增大。因此，通過對(duì)鉆機(jī)電機(jī)電信號(hào)的實(shí)測信號(hào)方差的監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下全液壓坑道鉆機(jī)的故障預(yù)警。

4 結(jié)語

鑒于煤礦井下全液壓坑道鉆機(jī)特殊的工作環(huán)境，采用檢測鉆機(jī)電機(jī)三相電信號(hào)間接測量方法實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的故障預(yù)警。該方法可以將普通工業(yè)傳感器和采集器安裝在鉆機(jī)啟動(dòng)柜腔體內(nèi)，極大地方便了信號(hào)的獲取，同時(shí)降低了檢測系統(tǒng)開發(fā)成本。借助電功率理論，通過對(duì)實(shí)測信號(hào)方差的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的故障預(yù)警，為后續(xù)鉆機(jī)的故障診斷奠定了一定基礎(chǔ)。

[1] 翁寅生，姚克，殷新勝.坑道鉆機(jī)參數(shù)測量系統(tǒng)及其在煤礦中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2016，11(47)：117-123.

[2] 張陽陽，姚寧平，董洪波，等.煤礦全液壓鉆機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].煤礦機(jī)械，2014，35(3)：183-186.

[3] 谷立臣，張優(yōu)云，丘大謀.液壓動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別技術(shù)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(6)：61-65.

[4] 谷立臣，劉沛津，陳江城.基于電參量信息融合的液壓系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(24)：141-150.

[5] 谷立臣，劉沛津.在線監(jiān)測電機(jī)功率狀態(tài)的圖形識(shí)別方法[J].電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(9)：100-108.

[6] 劉沛津.基于電參量信息融合的液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[7] 羅鵬平.基于電功率圖形化方法的液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2015.