基于滑油磨粒監(jiān)測的煤礦機械磨損故障預警

王 超，周俊麗

（國家能源神東質(zhì)量技術(shù)檢測檢驗中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

目前礦用設(shè)備管理多采用傳統(tǒng)的日常點巡檢和事后維修相結(jié)合的方式，該方式存在重要機械部件缺乏有效監(jiān)測手段，無法準確掌握重點設(shè)備的運行狀態(tài)，設(shè)備日常維護缺少數(shù)據(jù)支撐，存在維護盲點；設(shè)備點檢可能不及時；設(shè)備點檢工作繁重，需要較大的人力資源成本投入，且巡檢難度大；日常設(shè)備點巡檢對點檢人員存在安全風險；設(shè)備檢修后缺少客觀數(shù)據(jù)對檢修狀態(tài)進行評估等問題?；诖罱ǖ牡V井下旋轉(zhuǎn)類機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對井下設(shè)備的振動和溫度狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)多起設(shè)備潛在的機械故障，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)跟蹤的情況合理的制定設(shè)備運行維護措施，成功的避免多設(shè)備的非計劃停機，為企業(yè)帶來直接的經(jīng)濟效益。

油液是能動設(shè)備的血液，感知磨損這一逐漸發(fā)展過程所攜帶的信息，井下旋轉(zhuǎn)類設(shè)備在使用過程中，會發(fā)生因其潤滑系統(tǒng)運轉(zhuǎn)部件磨損引起的故障。這些故障會嚴重影響設(shè)備在正常壽命期的使用。對滑油進行采樣分析，根據(jù)滑油中攜帶的磨粒信息，判明磨損狀態(tài)，確定是否換油和維修，及時采取措施是當前進下設(shè)備維護所急需的技術(shù)之一。

通過對采煤機在運行過程中對滑油蘊含的多信息進行在線獲取，并結(jié)合工況因素及拆檢信息進行故障特征的識別，實現(xiàn)磨損故障異常預測方法，從而實現(xiàn)對軸承的潤滑狀態(tài)及磨損故障進行診斷和預測。

1 井下減速機軸承的磨粒在線監(jiān)測

采用在線磨粒監(jiān)測系統(tǒng)對磨粒信息進行獲取，原理（圖1），通過一種安裝于減速箱滑油（圖2）系統(tǒng)管路的油液監(jiān)測系統(tǒng)（圖3），能在生產(chǎn)過程中實時對滑油中攜帶的磨粒信息，通過數(shù)據(jù)的趨勢變化來對油液的變化過程做出記錄和分析。

1.1 滑油監(jiān)測部分組成及結(jié)構(gòu)

圖1 在線磨粒監(jiān)測系統(tǒng)原理

圖2 應用對象

圖3 滑油監(jiān)測箱體

系統(tǒng)主要包括：取樣部分、信號采集控制部分、數(shù)據(jù)傳輸和管理部分；取樣部分將采集器的信號采集，通過電纜輸入信號采集控制部分進行信號處理傳輸，數(shù)據(jù)傳輸和管理部分通過下位機和上位機之間的通信及上位機軟件數(shù)據(jù)進行分析。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)輸出

（1）采集頻率1～10 min/條、取樣量50～100 ml/環(huán)節(jié)、系統(tǒng)壓力＜0.5 MPa，功率＜500 W、流速50～1000 mL/min。

（2）數(shù)字圖像壓縮存儲比。

（3）油液磨粒濃度監(jiān)測范圍：＞5 PPM。

（4）磨粒分辨率：5 μm。

（5）磨粒圖像采樣幀率：30 f/s。

（6）數(shù)字圖像存儲容量：＞1000 幅。

（7）小磨粒有效尺寸5～100 μm，大磨粒尺寸100～500 μm。

（8）信號類型：數(shù)字格式磨粒圖像（圖5）。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 監(jiān)測輸出譜片

2 動態(tài)信息下的異常磨損預警

2.1 磨粒監(jiān)測結(jié)果

采用2018年9月18日到2018年12月7日進行周期性數(shù)據(jù)獲取，主要參數(shù)包括IPCA 值、磨粒圖像、表征信息提取等相關(guān)數(shù)據(jù)共計18 275 條，由于周期內(nèi)設(shè)備工作工況相對穩(wěn)定，因此清洗后數(shù)據(jù)按照同一工況進行趨勢分析及特征提取。周期內(nèi)IPCA 曲線如圖6、圖7 所示，正常磨損圖片如圖8 所示，異常磨損圖片如圖9 所示，異常磨損磨粒圖片如圖10 所示，突破告警值時間段見表1。

圖6 周期內(nèi)IPCA 值變化

圖7 周期內(nèi)IPCA 值異常變化

圖8 正常磨損圖片數(shù)據(jù)

圖9 異常磨損圖片數(shù)據(jù)

圖10 異常磨損磨粒圖片數(shù)據(jù)

表1 突破告警值時間段

2.2 磨粒與振動信號對比結(jié)果

磨粒濃度發(fā)生異常3 h 后，以10月9日數(shù)據(jù)為例進行比對，電機軸承振動數(shù)據(jù)開始響應反饋。設(shè)備高速軸輸入端高頻測點振動有效值約為15 m/s2（圖11）；隨著設(shè)備運行狀態(tài)的持續(xù)劣化，到10月9日16：30 左右磨粒濃度IPCA 值突破1.8 %，磨粒直徑部分超過250 μm（前期50 μm 以內(nèi)）同時高速軸輸入端高頻測點振動有效值約為110 m/s2，相較上線時的振動上升了約735 %；10月10日后設(shè)備振動劣化趨勢開始加劇，建議現(xiàn)場可以準備備品備件，待設(shè)備振動趨勢出現(xiàn)急劇劣化時停機檢修；到設(shè)備常規(guī)停機前，高速軸輸入端高頻測點振動有效值約為171.4 m/s2（圖11），相較10月9日的振動上升了約1100%；停機后對設(shè)備進行拆解檢修。

2.3 拆機檢測結(jié)果

通過在線監(jiān)測的磨粒特征變化、監(jiān)測對象振動值變化、監(jiān)測對象拆解照片進行對比映射，磨粒濃度值及單磨粒直徑異常變化時振動值也會隨之響應，拆解后磨損剝落現(xiàn)象也能夠看出運行過程中磨損的狀態(tài)變化。其研究結(jié)果能夠驗證油液監(jiān)測預警結(jié)果與運行工況特性變化的一致性。另外拆解后的軸承表面及滾道異常磨損也是和上述結(jié)果相吻合的（圖12）。

圖11 振動監(jiān)測變化趨勢

圖12 拆解后異常磨損照片

3 結(jié)束語

針對神東煤炭集團公司井下旋轉(zhuǎn)設(shè)備的磨損狀態(tài)進行監(jiān)測及分析，實現(xiàn)設(shè)備磨損故障的提前發(fā)現(xiàn)及預警，主要結(jié)論如下：

（1）針對神東煤礦設(shè)備的實際工況，結(jié)合油液監(jiān)測的特點，提出應用于設(shè)備異常磨損識別的監(jiān)測裝置。

（2）針對神東煤炭集團公司的生產(chǎn)實際和設(shè)備特點，構(gòu)建基于磨粒濃度監(jiān)測的異常磨損識別方法。

（3）運用關(guān)聯(lián)性研究方法驗證基于滑油監(jiān)測信息提取的煤礦井下減速機軸承磨損故障預警方法的可行性，實現(xiàn)基于滑油磨粒信息提取的設(shè)備異常磨損識別，提高油液分析結(jié)果判斷準確性和全面性，同時節(jié)約分析成本。

（4）通過重點煤礦設(shè)備關(guān)鍵部件磨損監(jiān)測分析案例，為基于油液分析技術(shù)的大型煤礦設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供參考。