采煤機(jī)的異常分析與診斷控制系統(tǒng)

丁帥華

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)東溝煤業(yè)有限公司 山西省臨汾市 042100）

作為中國(guó)煤礦的主要挖掘開(kāi)采設(shè)備，采煤機(jī)在使用過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性以及高效性始終是煤炭行業(yè)工作人員一直關(guān)注的問(wèn)題。因此，針對(duì)采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障的診斷和預(yù)測(cè)，對(duì)于安全防護(hù)工作的開(kāi)展具有十分深遠(yuǎn)的影響，本文所論述的基于模糊算法的采煤機(jī)的異常分析與診斷控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)完善的系統(tǒng)論證，證實(shí)其具有精確度高、穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)等特點(diǎn)，能夠有效保障采煤機(jī)的安全運(yùn)行，為我國(guó)煤礦行業(yè)的發(fā)展，提出了新思路。

1 采煤機(jī)的常見(jiàn)故障種類分析

作為我國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)井下工作中最常見(jiàn)的三種設(shè)備之一，采煤機(jī)的工作狀況，直接決定了井下作業(yè)是否安全，一旦采煤機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候發(fā)生故障，出現(xiàn)停機(jī)維修等現(xiàn)象，不僅會(huì)給煤礦企業(yè)造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)也容易對(duì)井下工作人員的生命健康安全帶來(lái)嚴(yán)重影響。為了最大程度保障采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使用中的穩(wěn)定性，我國(guó)各大煤礦生產(chǎn)企業(yè)，均針對(duì)采煤機(jī)設(shè)立有專業(yè)的維修技術(shù)隊(duì)伍，并合理利用采煤機(jī)的停機(jī)時(shí)間進(jìn)行故障檢修、更換零部件、電路檢測(cè)等工作。但需要認(rèn)識(shí)到的是，因?yàn)椴擅簷C(jī)每天停機(jī)休息的時(shí)間極為有限，全部檢修工作都只能停留在表面部分，無(wú)法對(duì)采煤機(jī)的深層次問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)，只能夠在故障完全發(fā)生后再開(kāi)展排查作業(yè)，不能滿足當(dāng)前我國(guó)井下作業(yè)越來(lái)越高的質(zhì)量要求，而采煤機(jī)在使用過(guò)程中的常見(jiàn)故障類型，大致可以劃分成以下幾個(gè)方面。

1.1 采煤機(jī)的機(jī)械故障

采煤機(jī)的常見(jiàn)機(jī)械故障主要包含有采煤機(jī)傳動(dòng)軸承故障（例如在電牽引采煤機(jī)當(dāng)中，牽引部分和截割部分分別有各自的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其間經(jīng)過(guò)多級(jí)齒輪減速增加轉(zhuǎn)矩，雖然在設(shè)計(jì)之初已經(jīng)考慮使用條件，但是因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的影響，仍然導(dǎo)致軸承故障多有發(fā)生）、采煤機(jī)傳動(dòng)齒輪故障（因?yàn)辇X輪是采煤機(jī)當(dāng)中重要的變速傳遞部件，由于設(shè)計(jì)失誤、制作不精良、維護(hù)不善等情況，都將會(huì)齒輪運(yùn)行的穩(wěn)定性造成影響）、截齒磨損故障、傳統(tǒng)系統(tǒng)故障等。此類故障在發(fā)生之后，采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中將出現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性降低、截割阻力提高等一系列問(wèn)題，所以需要采用對(duì)傳動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩輸出、對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行工作電流和工作電壓的檢測(cè)，來(lái)對(duì)問(wèn)題的根源進(jìn)行判定。

1.2 采煤機(jī)的液壓故障

采煤機(jī)的液壓故障，指的是工作人員在控制采煤機(jī)搖臂工作時(shí)所發(fā)生的定位不準(zhǔn)確、液壓油泄漏、換向卡組等方面的問(wèn)題，該類型故障發(fā)生以后，采煤機(jī)的故障主要表現(xiàn)在液壓系統(tǒng)工作壓力變化幅度不正常、液壓油的流量變化不正常等，通常情況下，工作人員可以根據(jù)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的工作壓力與流量的監(jiān)控結(jié)果，來(lái)對(duì)故障的源頭進(jìn)行分析。

實(shí)際上，在采煤機(jī)當(dāng)中，故障率最多的就是液壓系統(tǒng)，因?yàn)椴擅簷C(jī)牽引部液壓系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)速、過(guò)載保護(hù)的裝置，因此在運(yùn)行的過(guò)程中，將會(huì)不可避免的出現(xiàn)故障。液壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因、產(chǎn)生故障造成的現(xiàn)象以及故障部位之間的關(guān)系實(shí)際上非常復(fù)雜，維修人員在日常巡檢的過(guò)程中很難對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，同時(shí)由于采煤機(jī)在井下作業(yè)環(huán)境非常惡劣，維修人員液壓系統(tǒng)的拆解有著很高的難度，系統(tǒng)也有可能發(fā)生二次污染，所以，針對(duì)液壓系統(tǒng)故障的排除，是采煤機(jī)故障排除中的一大難點(diǎn)。

1.3 采煤機(jī)的電氣故障

在采煤機(jī)的日常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電氣故障是第二常見(jiàn)的故障類型。因?yàn)閺目陀^角度來(lái)講，采煤機(jī)的本質(zhì)是一個(gè)機(jī)械裝置，其機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都要依靠電氣系統(tǒng)的調(diào)整和控制，一旦采煤機(jī)的電氣系統(tǒng)發(fā)生故障，采煤機(jī)在使用的過(guò)程中就有可能發(fā)生控制失效等狀況，針對(duì)此類型的故障通?？梢葬槍?duì)傳輸控制信號(hào)與反饋信號(hào)的比對(duì)來(lái)進(jìn)行判定。

常見(jiàn)的采煤機(jī)電器故障有變頻器過(guò)熱（由于井下環(huán)境溫度過(guò)高，致使變頻器的散熱器溫度過(guò)高導(dǎo)致報(bào)警，一旦發(fā)生散熱器報(bào)警，調(diào)頻脈沖的頻率和輸出頻率就會(huì)降低）、過(guò)電流故障（由于短路、負(fù)載突變、接地、過(guò)負(fù)載等現(xiàn)象造成的設(shè)備內(nèi)部故障）、過(guò)電壓限幅（因?yàn)樽儔浩饕呀?jīng)達(dá)到了電壓限定值最大值或者變頻器斜坡下降時(shí)，若直流回路控制無(wú)效，則有可能發(fā)生電壓限幅故障）、欠電壓限幅（因?yàn)殡娋W(wǎng)供電電源出現(xiàn)故障，亦或是供電電源電壓和與其相對(duì)應(yīng)的直流回路電壓低于最低限定值所導(dǎo)致的故障）、電熔機(jī)溫度信號(hào)丟失（負(fù)載電動(dòng)機(jī)的溫度傳感器發(fā)生斷聯(lián)）等。

整體來(lái)講，在煤礦生產(chǎn)行業(yè)當(dāng)中，采煤機(jī)的重要性不言而喻，它是集合了機(jī)械、電子電器、液壓傳動(dòng)于一身的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。并且由于采煤機(jī)的工作環(huán)境通常比較惡劣，在裝卸運(yùn)輸煤礦的過(guò)程中，常常會(huì)受到來(lái)自煤礦、巖石的巨大沖擊力，并且還受到了煤塵、水霧等其他類型的污染。盡管設(shè)計(jì)人員早已在采煤機(jī)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)考量了其防水能力、抗污能力，但是在實(shí)際使用的過(guò)程中，因?yàn)椴擅簷C(jī)所處的實(shí)際環(huán)境，致使采煤機(jī)的液壓元件和機(jī)械部件發(fā)生磨損、電氣設(shè)備出現(xiàn)故障，導(dǎo)致采煤機(jī)不能達(dá)到原有的使用壽命。若采煤機(jī)因故障而停止使用，整個(gè)煤礦的井下生產(chǎn)都將受到嚴(yán)重影響，因此，有必要建議一套健全的采煤機(jī)異常分析與診斷控制系統(tǒng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的診斷和預(yù)警，提升采煤機(jī)的正常工作效率。為煤礦企業(yè)帶來(lái)更加豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。

2 采煤機(jī)異常分析和診斷控制系統(tǒng)概述

2.1 基于模糊算法的采煤機(jī)異常分析和診斷控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

作為煤礦開(kāi)采過(guò)程中必須要使用的一種機(jī)械設(shè)備，采煤機(jī)的作用就是針對(duì)做挖掘的煤炭進(jìn)行采集和裝載，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)涵蓋有電氣、牽引、截割和附屬四大部分。在此之中，電氣系統(tǒng)主要功能是為采煤機(jī)提供動(dòng)能，包括了有動(dòng)力電動(dòng)機(jī)和相關(guān)元器件；牽引裝置功能讓采煤機(jī)在具有一定的移動(dòng)能力，并且操控其在采煤作業(yè)時(shí)的工作速率、保障采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，是采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要支持；截割設(shè)備的作用是讓采煤機(jī)在工作中進(jìn)行裝煤和卸煤（截割裝置是采煤機(jī)的最重要組成部分，是采煤機(jī)的重要部件）；附屬裝置則包含了控制、液壓、移動(dòng)等元器件，對(duì)采煤機(jī)的正常運(yùn)行起到輔助作用。在采煤機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，這些不同裝置扮演著獨(dú)當(dāng)一面的角色，采煤機(jī)的正常運(yùn)行，必須要依托上述四種裝置的協(xié)同配合，只有這樣，采煤機(jī)的運(yùn)行效率才能得到最大程度的體現(xiàn)。

針對(duì)采煤機(jī)的異常分析和診斷控制系統(tǒng)，其涵蓋有數(shù)據(jù)樣本錄入、人機(jī)互動(dòng)頁(yè)面呈現(xiàn)、診斷判定、故障確認(rèn)等，其中，依靠采集采煤機(jī)的工作信息，同時(shí)依靠相關(guān)方法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后開(kāi)展數(shù)據(jù)分析討論，依靠人機(jī)互動(dòng)頁(yè)面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行反饋，依靠數(shù)據(jù)的表達(dá)讓異常信息更為清晰的進(jìn)行呈現(xiàn)。主要涵蓋有數(shù)據(jù)曲線、數(shù)據(jù)調(diào)閱、數(shù)據(jù)更正、顯示圖像、文字論述等形式。把所采集到的信息和原有信息庫(kù)中的信息進(jìn)行比對(duì)，對(duì)采煤機(jī)的故障進(jìn)行分析診斷。數(shù)據(jù)信息處理主要是把異常故障和預(yù)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合，最終得出結(jié)果進(jìn)行處理，依靠人機(jī)交互界面，便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員了解，以便于工作人員選擇最為科學(xué)有效的技術(shù)，來(lái)對(duì)采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中所發(fā)生的故障進(jìn)行排除，保障采煤作業(yè)的順利開(kāi)展。同時(shí)，也有效控制了采煤機(jī)在使用過(guò)程中，故障逐漸加深，導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失的逐漸增加，最大限度保護(hù)了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)的良性健康發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 模糊算法

模糊算法的本質(zhì)是一種數(shù)學(xué)方法，其包含了總體輸出與單元輸出形式這兩種不同的形式。這兩種不同的形式，在復(fù)雜程度上也有區(qū)別，單元輸入的形式，其復(fù)雜性更高一些。因此為了可以讓控制結(jié)果得到一定程度的簡(jiǎn)化，便于相關(guān)工作的開(kāi)展，在模糊算法的形式選擇上，一般就使用總體輸出這種形式比較多，因?yàn)檫@樣較為方便，可以大大提升工作效率。

通常而言，模糊算法涉及到多個(gè)不同的因素，具體涵蓋了量化因子、模糊構(gòu)成、近似推理、清晰化、以及比例因子等若干部分，據(jù)圖分析結(jié)構(gòu)。

模糊算法的具體實(shí)踐當(dāng)中，輸入量一般具有連續(xù)性的明顯特征，一般情況下可以將輸入變量定義為X，那么針對(duì)輸入變量的數(shù)學(xué)表達(dá)，可以通過(guò)以下公式來(lái)表示：

X=[x1,x2...xn]T

在上式當(dāng)中，Xn表示輸入變量的分量，n 代表分量的個(gè)數(shù)。與之類似的，輸出變量的表達(dá)式為：

Y=[y1,y2...yn]T

在上式當(dāng)中，yn代表輸入變量的分量，因此可以得出量化因子的計(jì)算公式為：

模糊處理在進(jìn)行計(jì)算處理的具體流程中，需要基于隸屬函數(shù)，來(lái)展開(kāi)分析求解。而對(duì)于隸屬函數(shù)來(lái)講，又涉及到分散性與連續(xù)性兩種不同的函數(shù)類型，基于輸入變量自身所表現(xiàn)出來(lái)的顯著差異，可以結(jié)合其實(shí)際選擇不同的隸屬函數(shù)來(lái)進(jìn)行求解。

根據(jù)模糊算法對(duì)應(yīng)的基本控制規(guī)則，在一些條件受到限制的情況下進(jìn)行近似推理，是值得思考的。這需要對(duì)條件語(yǔ)的設(shè)計(jì)予以優(yōu)化，立足實(shí)際運(yùn)行所面臨的基本狀況，合理制定模糊控制的相應(yīng)規(guī)則。根據(jù)近似推理進(jìn)行處理后，依托于清晰化的處理方法，對(duì)模糊處理得到的數(shù)據(jù)展開(kāi)處理，讓最終得到的結(jié)果，在一定程度上實(shí)現(xiàn)精確化，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，需要依托隸屬分析、加權(quán)平均等手段進(jìn)行處理，工作人員需要基于不同的情況對(duì)算法做出選擇。通常情況下，工作人員所作出的選擇，在有越多數(shù)據(jù)支持的情況下，選擇會(huì)越發(fā)趨向于精準(zhǔn)，因此，這一套基于模糊算法對(duì)采煤機(jī)異常分析與診斷控制系統(tǒng)能夠讓工作人員作出最為準(zhǔn)確合理的選擇。

2.3 模型構(gòu)建

立足模糊算法，分析采煤機(jī)異常，以及對(duì)診斷控制系統(tǒng)予以分析，這就需要構(gòu)建起對(duì)應(yīng)的模型。借助模糊算法強(qiáng)大的擬合能力，突出強(qiáng)化預(yù)測(cè)、分析診斷方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建起對(duì)應(yīng)的技術(shù)模型，為采煤機(jī)今后的正常生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，提供一定的技術(shù)支持和保障。依靠采煤機(jī)在采礦作業(yè)中所表現(xiàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)字化分析，把收集到的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入進(jìn)模糊算法模型之中。然后，從隸屬函數(shù)與量化因子的角度出發(fā)，合理進(jìn)行選擇，確定對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，針對(duì)采煤機(jī)展開(kāi)運(yùn)行狀況的分析，得出相應(yīng)的結(jié)果。在模糊算法基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的計(jì)算程序，得出相應(yīng)的關(guān)鍵信號(hào)，基于一定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，是處在正常水平，還是存在異常狀態(tài)，這是一個(gè)核心要點(diǎn)。

一般情況下，采煤機(jī)通常選擇冷卻系統(tǒng)信息、液壓系統(tǒng)信息。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)信息、電力電流信息進(jìn)行整合分析，對(duì)所收集到的信息開(kāi)展歸一操作，常見(jiàn)的處理方式一般有3 種，分別是高于閾值的處理模式、閾值內(nèi)處理模式和低于閾值的處理模式，按照采煤機(jī)使用的具體情況，相關(guān)技術(shù)人員選取對(duì)應(yīng)的方法開(kāi)展處理。

依靠對(duì)歸一模式運(yùn)算的使用，參考采煤機(jī)工作中存在的問(wèn)題，結(jié)合模糊算法系統(tǒng)，選取相應(yīng)的歸一化因子和隸屬函數(shù)，對(duì)采煤機(jī)的異常分析與診斷控制系統(tǒng)進(jìn)行模型的構(gòu)建。

在具體實(shí)踐中，構(gòu)建了相應(yīng)的分析模型之后，還應(yīng)該關(guān)注到一個(gè)關(guān)鍵性工作，那就是針對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。為了驗(yàn)證模型構(gòu)建的過(guò)程是否合理，驗(yàn)證模型本身是否科學(xué)，就需要選擇具體的采煤機(jī)，設(shè)定運(yùn)行條件，采取相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)液壓系統(tǒng)壓力值，作為衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。通過(guò)選擇相應(yīng)的輸入變量，基于歸一化處理等流程，合理分析數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

整體來(lái)講，筆者選用了模糊算法對(duì)采煤機(jī)異常分析與診斷控制系統(tǒng)進(jìn)行模型構(gòu)建，依靠選擇對(duì)應(yīng)的判斷數(shù)據(jù)并開(kāi)展歸一化處理，同時(shí)根據(jù)實(shí)際工作狀況選擇對(duì)應(yīng)的量化因子和隸屬函數(shù)，對(duì)采煤機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，通過(guò)與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的采煤機(jī)異常分析與診斷控制系統(tǒng)對(duì)故障的預(yù)測(cè)精度較高，值得進(jìn)行研究、推廣和普及。