采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)設計及應用

趙云鶴

(西山煤電馬蘭礦綜采三隊，山西 太原 030200)

0 引 言

目前，煤礦大范圍采用機械化手段作業(yè)，使煤炭數(shù)量及開采作業(yè)效率大幅提升，也為井下作業(yè)人員提供了優(yōu)良的作業(yè)環(huán)境，進一步降低了煤炭開采中能源以及資源的浪費。煤礦開采應用的現(xiàn)代化機械設備數(shù)量與種類很多，采煤機是關鍵的設備之一，采煤機設備能夠完成落煤作業(yè)以及裝煤作業(yè)，其自身結構復雜，在應用過程中，由于井下作業(yè)環(huán)境相對復雜且惡劣，采煤機設備在實際運行中出現(xiàn)的故障會降低煤炭開采效率以及質(zhì)量，甚至還可能引發(fā)人員傷亡安全事故。結合實踐分析，針對采煤機故障問題設計傳動裝置故障診斷系統(tǒng)，以期有效降低設備運行故障發(fā)生率，保障煤礦作業(yè)安全高效發(fā)展。

1 采煤機傳動裝置故障類型分析

1.1 齒輪部件故障分析

采煤機運行狀態(tài)基本是低速重載運行，傳動過程中承擔的負荷相對較大，極易導致傳動齒輪部件出現(xiàn)故障問題。一般情況下齒輪部件故障主要有下列類別：

(1) 齒面磨損。實際作業(yè)中，采煤機采掘的是硬度相對大的煤巖體，齒輪部件實際承載了相對大載荷，導致齒面出現(xiàn)磨損。依照齒面磨損性質(zhì)，又劃分為磨粒磨損以及腐蝕磨損。

(2) 齒面粘合和擦傷。由于采煤機齒輪部件一直處在高速重載的運行狀態(tài)，齒輪部件表面會承受相對大壓力，在很短時間內(nèi)齒面溫度升高，如果潤滑不及時，齒面結構之間的油膜被嚴重破壞，使不同齒面發(fā)生粘合問題。一些沒有經(jīng)過磨合的新齒輪部件，在使用中極易產(chǎn)生擦傷。

(3) 齒面接觸疲勞。采煤機實際運行中，相互嚙合的齒輪部件不僅會出現(xiàn)相對的滾動，也會出現(xiàn)滑動。出現(xiàn)滑動時，所形成的摩擦力方向恰好相反，使齒輪部件出現(xiàn)一定的脈動載荷作用。脈動載荷作用會導致齒輪部件出現(xiàn)一定剪切應力作用，使齒面結構形成一定的疲勞裂紋。如果裂紋不斷擴大，會使齒面結構出現(xiàn)點蝕問題。

(4) 彎曲疲勞和斷齒。采煤機運行過程中，其整體結構如同懸臂梁結構，其齒根位置部位受到大的彎曲應力作用，若作用力超過了材料自身的疲勞極限，齒輪部件便會產(chǎn)生裂紋。另外，在彎曲疲勞作用力工況下，齒輪部件根部位置齒極易被影響，加之另外一些外界因素作用，導致此部位應力集中，導致形成的裂紋不斷擴張，當齒輪部件不能承載時，會產(chǎn)生斷齒問題。

1.2 軸承部件故障分析

采煤機設備的滾動軸承部件屬于關鍵部件之一，其含有內(nèi)圈結構、外圈結構以及滾動體結構等。軸承部件出現(xiàn)故障會表現(xiàn)出兩種類型，分別為磨損類及表面損傷類。磨損故障大部分是由于軸承結構出現(xiàn)磨損，其所形成間隙值不斷增加，出現(xiàn)此問題時，軸承部件所對應的振動時域波形不具規(guī)律性，表現(xiàn)出非常強的隨機效果。另外，因為采煤機的作業(yè)條件復雜且惡劣，其運行一般是低速重載運行，使軸承部件極易出現(xiàn)表面損傷故障。此故障早期不易發(fā)現(xiàn)，此故障多是出現(xiàn)在軸承部件外圈、內(nèi)圈結構等表面位置，表現(xiàn)出一定的點蝕現(xiàn)象。

2 采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)的軟件設計

采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對各種信號的處理及分析，同時能針對采煤機傳動裝置進行故障診斷及分析。軟件系統(tǒng)研發(fā)是利用LabVIEW2011軟件為整個系統(tǒng)研發(fā)平臺，開發(fā)不同功能模塊并進行組裝。利用LabVIEW2011軟件不僅能確保一些軟件功能模塊擁有一些硬件具備的功能，同時也能確保整個設計工作更便捷高效，無需再編寫復雜且繁瑣的代碼工作，使整個軟件系統(tǒng)開發(fā)周期進一步縮短，確保普通技術人員均能完成系統(tǒng)開發(fā)工作。

為能進一步強化開發(fā)軟件系統(tǒng)具備更強擴展功能，便于系統(tǒng)日常維護工作，通過模塊化編程理念進行了系統(tǒng)設計。系統(tǒng)功能模塊結構設計示意圖如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)功能模塊結構示意圖

在系統(tǒng)主界面中，利用主菜單模式進行設計，其中含有參數(shù)設置、采煤機檢測項目、采煤機故障診斷以及具體操作等多項內(nèi)容，在設置功能模塊中，能夠針對所安裝的傳感裝置各項參數(shù)進行設定，同時也能夠針對生產(chǎn)報表最終儲存具體路徑進行設定。在檢測項目功能模塊中，能針對采煤機傳動裝置運行中的振動情況、溫度情況、電流情況、電壓情況以及轉速情況等進行實時檢測。故障診斷功能模塊中可針對傳動裝置中的齒輪部件、軸承部件等相關部件故障加以診斷。報表功能模塊中可實現(xiàn)報表實時生成、瀏覽以及設置等各項功能。操作功能模塊則可實現(xiàn)程序停運操作。

采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)程序具體流程圖如圖2所示。采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)程序開始運行后，首先要完成相應參數(shù)設定，再將要檢測的各個項目內(nèi)容分別選擇，系統(tǒng)檢測完成相應檢測工作后，便能繼續(xù)針對各個檢測內(nèi)容加以檢測，同時也可對所檢測項目進行故障診斷操作，并且可以將檢測內(nèi)容生成對應報表。

圖2 采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)程序流程圖

3 故障診斷系統(tǒng)硬件設計及傳感器布設

采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)硬件設備的選用是否合理會直接影響整個系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)中，硬件的重要功能是對采煤機傳動系統(tǒng)運行過程中的相關信號加以檢測，然后再對信號進行處理及輸送，在所設置的上位機中完成數(shù)據(jù)處理。采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)的硬件構成如圖3所示。整個系統(tǒng)中硬件裝置主要有傳感器裝置，調(diào)理電路裝置、數(shù)據(jù)采集卡裝置和計算機裝置等等。

圖3 采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)的硬件構成示意圖

最為關鍵的是傳感器裝置，若傳感裝置無法準確檢測采煤機傳動裝置運行過程的各種信號信息，那么后續(xù)所有工作便無法進行，也無法確保后續(xù)分析結果的準確性。因此對傳感器裝置的布設進一步加以分析與說明。

所選用的各個傳感裝置分別設置于采煤機傳動裝置各個部位之上，對于壓電傳感裝置，將其設置于傳感裝置中的截割部位處的減速箱部件和軸承端蓋部件之上，同時在牽引部件中的固定箱體上和軸承結構上均設置壓電傳感裝置，確保能夠準確檢測到這些位置的振動信號數(shù)據(jù)。把溫度傳感裝置連接到截割部件中齒輪箱油池及牽引部件中齒輪傳動油池中。另外，將電壓傳感裝置及電流傳感裝置設置于截割電機以及牽引電機上。采煤機的滾筒部件上，在其側面位置均勻的粘貼上反光片，把所設置的光電傳感裝置在特定的區(qū)域中和所粘貼反光片相對。具體檢測點設置如圖4所示。

圖4 檢測點設置情況1.代表振動傳感裝置 2.代表溫度傳感裝置 3.代表電壓傳感裝置 4.代表交流電流傳感裝置 5.代表直流電流傳感裝置 6.代表光電傳感裝置

4 實際應用效果

將所設計采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)應用到1053綜采工作面采煤機設備之中，自2018年4月應用以來，一共提前診斷出故障問題19起，確保了采煤機安全隱患得以及時排除，在應用采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)之后，未因采煤機傳動裝置故障而造成停機事件，確保了煤礦開采作業(yè)的連續(xù)性與高效性，具有較高的實用價值，值得進一步推廣應用。

應用該采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)之前，應當完成相應性能分析，確保所有性能均能符合標準及應用要求。在進行性能分析實驗時，首先自行搭建性能分析試驗臺，試驗臺現(xiàn)場圖如圖5所示。試驗臺中包含有系統(tǒng)樣機裝置、信號發(fā)生裝置、直流穩(wěn)壓電源裝置、穩(wěn)壓電源裝置以及萬用表裝置等。

首先，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，借助于粗調(diào)操作以及微調(diào)操作，確保電源能夠穩(wěn)定輸出，由4 mA至20 mA以及20 mA至4 mA表現(xiàn)為梯度波動電流，將所形成電流輸入至溫度模擬通道、振動模擬通道、電流模擬通道以及電壓模擬通道等各個通道內(nèi)。再利用信號發(fā)生裝置使之產(chǎn)生為梯度波動的方波信號，把所形成的方波信號數(shù)據(jù)傳輸至定時/計數(shù)裝置的通道里，再把不同通道中所收集到的相關數(shù)據(jù)信息全部傳輸至靜態(tài)特征分析設備里完成相關分析工作。所得分析結果見表1。

圖5 性能試驗試驗臺現(xiàn)場圖

表1 靜態(tài)特征分析結果

從上述數(shù)據(jù)能夠看出，此次開發(fā)的采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)的各檢測通道能夠達到要求。

5 結 語

采煤機設備屬于采煤作業(yè)中非常重要的機械設備，傳動裝置是確保采煤機能安全運行的關鍵。因此，相關技術人員應該結合實踐，針對采煤機傳動裝置的故障問題，創(chuàng)新研發(fā)更為精準的采煤機傳動裝置故障診斷系統(tǒng)，為更加及時高效判斷采煤機傳動裝置故障及采煤作業(yè)的安全性提供可靠保障。