煤礦通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

李建峰

（山西辰誠(chéng)建設(shè)工程有限公司，山西陽(yáng)泉 045000）

0 引言

煤礦的大量開(kāi)采加大了井下作業(yè)環(huán)境的惡劣程度。礦用通風(fēng)機(jī)作為井下改善空氣質(zhì)量的重要設(shè)備，保證其良好的運(yùn)行效果及通風(fēng)性能，對(duì)保證井下作業(yè)安全至關(guān)重要。通風(fēng)機(jī)在井下作業(yè)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)整機(jī)振動(dòng)劇烈、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定、信號(hào)傳輸滯后等問(wèn)題，現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)難以較好地保證通風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行[1-3]。因此，有必要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)。

本文重點(diǎn)分析了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的主要故障問(wèn)題，從硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)方面，開(kāi)展了通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的改進(jìn)研究，并將其在晉城煤礦的通風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。結(jié)果表明，該故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行正常，功能齊全，能較好地滿足通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程的故障診斷需求，對(duì)提高通風(fēng)機(jī)及井下作業(yè)安全具有重要意義。

1 通風(fēng)機(jī)常見(jiàn)故障

根據(jù)煤礦通風(fēng)機(jī)使用工況的不同，將其分為離心式通風(fēng)機(jī)和軸流式通風(fēng)機(jī)，但其結(jié)構(gòu)基本相同，主要由旋轉(zhuǎn)主軸、葉輪、螺旋外殼、進(jìn)氣口、出氣口、電機(jī)、導(dǎo)流片等部件組成，主要負(fù)責(zé)向井下環(huán)境提供新鮮空氣。煤礦通風(fēng)機(jī)在使用過(guò)程中，出現(xiàn)的故障類型主要包括轉(zhuǎn)子故障、油膜故障、葉片和機(jī)殼的振動(dòng)故障、基座松動(dòng)故障等[4-6]，下面就這些故障問(wèn)題進(jìn)行分析。

（1）轉(zhuǎn)子故障主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定及振動(dòng)加劇等問(wèn)題，導(dǎo)致其出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)子在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，由于存在一定的生產(chǎn)誤差，造成了轉(zhuǎn)子未成對(duì)稱分布，加上轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與定子之間發(fā)生了較大程度的摩擦現(xiàn)象，加大了轉(zhuǎn)子磨損，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定性及振動(dòng)幅度更加劇烈。轉(zhuǎn)子的異常運(yùn)動(dòng)，最終會(huì)使通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量及風(fēng)壓的檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)誤檢測(cè)等問(wèn)題。

（2）通風(fēng)機(jī)軸承上的潤(rùn)滑油出現(xiàn)了油膜渦動(dòng)故障，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速發(fā)生加速或減速情況下的波動(dòng)變化現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子速度加快后，會(huì)使其整體出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，最終加劇通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅度；而轉(zhuǎn)子速度突然減小，導(dǎo)致信號(hào)的振幅未來(lái)得及立即響應(yīng)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的持續(xù)降低，信號(hào)才突然變?yōu)?，具有響應(yīng)滯后現(xiàn)象，嚴(yán)重影響通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控問(wèn)題。

（3）通風(fēng)機(jī)從井下排出空氣的同時(shí)，會(huì)夾雜著排出煤塵及其他雜質(zhì)，由此造成了通風(fēng)機(jī)極可能發(fā)生喘振故障。喘振現(xiàn)象的發(fā)生，會(huì)對(duì)通風(fēng)機(jī)的軸承、轉(zhuǎn)子、葉片等結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，也會(huì)加劇通風(fēng)機(jī)整機(jī)的振動(dòng)幅度。當(dāng)整機(jī)的振動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)，則會(huì)使通風(fēng)機(jī)發(fā)生災(zāi)難性的事故。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合上述對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)故障分析，有必要建立一套通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，保障其設(shè)備的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全[7-8]。因此對(duì)該故障診斷系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 總體框架圖

通風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的主要性能參數(shù)包括通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、運(yùn)行功率、工作電壓、風(fēng)壓、設(shè)備振動(dòng)幅度等，所建立的硬件系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)這些運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。在這些信號(hào)中，振動(dòng)參數(shù)是通風(fēng)機(jī)大部分故障發(fā)生后而造成了最終故障，對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全至關(guān)重要。因此，所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)包括振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、工況軟件平臺(tái)等部分。首先在通風(fēng)機(jī)上設(shè)計(jì)一套振動(dòng)傳感器，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅度進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并將檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他電信號(hào)后，傳輸至信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)中，完成對(duì)檢測(cè)信號(hào)的濾波和信號(hào)放大處理，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡，將放大后的信號(hào)進(jìn)行D/A和A/D轉(zhuǎn)換，傳輸至數(shù)據(jù)處理中心后，采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)采集轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行分析處理，將信號(hào)與設(shè)置閥值進(jìn)行對(duì)比判斷。當(dāng)超過(guò)閥值時(shí)，系統(tǒng)則發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示及切斷電源運(yùn)行等處理措施，最終通過(guò)設(shè)計(jì)的工控平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示和曲線繪制。由此，完成對(duì)通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)硬件系統(tǒng)工作流程圖

2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備匹配

故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)快速獲取傳感器設(shè)備檢測(cè)的各類電信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后，傳遞至控制中心進(jìn)行后續(xù)處理。所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備配備了多路開(kāi)關(guān)、保持器、放大器等部件。多路開(kāi)關(guān)可對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行多路信號(hào)的采集和不同路徑切換；保持器主要負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換前后的信號(hào)進(jìn)行采集，有效防止信號(hào)發(fā)生改變現(xiàn)象；放大器主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的放大或縮小，以保證信號(hào)能滿足轉(zhuǎn)換需求。另外，數(shù)據(jù)采集卡是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心。通過(guò)對(duì)采集卡的匹配選型，選用了PCI-6259型采集卡，該采集卡具有采樣頻率和精度高、信號(hào)采樣穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，比一般采集具有更高的分辨率，其主要性能特點(diǎn)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集卡主要性能參數(shù)

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的重要系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括登錄模塊程序、信號(hào)采集模塊程序、信號(hào)預(yù)處理模塊程序、網(wǎng)絡(luò)模塊程序、故障診斷模塊程序、報(bào)警模塊程序等部分。所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)依托于VS2010平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，保證其能更好地滿足通風(fēng)機(jī)故障診斷要求。下面就軟件系統(tǒng)的典型部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

3.1 信號(hào)采集模塊程序

結(jié)合上述分析，所設(shè)計(jì)的信號(hào)采集卡采用了PCI-6259型采集卡，是一款多路低耗能的采集卡，具有較高的采集精度和采集功能。因此，在信號(hào)采集模塊程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了多種API功能，并在程序編寫過(guò)程中，添加了ADSAPI32.DIL動(dòng)態(tài)鏈接文件，可將控制模塊中信號(hào)緩存在緩沖區(qū)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)PCI程序，可將PCI總線中的振動(dòng)信號(hào)傳輸至工控中心，并進(jìn)行快速保存，也可通過(guò)此程序，輸入信號(hào)的大小范圍進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。另外，該模塊中所有程序均采用了MATLAB軟件進(jìn)行程序編寫，實(shí)現(xiàn)了該程序代碼與多款軟件的聯(lián)合編寫。由此，完成了信號(hào)采集模塊程序的設(shè)計(jì)。

3.2 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊是通風(fēng)機(jī)的故障診斷系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。因此，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用BP網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)MATLAB中的API模塊，對(duì)報(bào)警模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)此過(guò)程，可將處理分析后的通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、振動(dòng)情況、運(yùn)行功率等參數(shù)與設(shè)置的閾值進(jìn)行對(duì)比判斷，但檢測(cè)的信號(hào)參數(shù)超過(guò)設(shè)計(jì)閥值時(shí)，可通過(guò)該報(bào)警模塊發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，并通過(guò)設(shè)計(jì)的人機(jī)顯示界面進(jìn)行故障問(wèn)題的實(shí)時(shí)顯示。其中，在該報(bào)警模塊中，設(shè)計(jì)了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析、特征提取、故障報(bào)警等功能，其報(bào)警功能界面如圖2所示。由此，實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障的報(bào)警提示。

圖2 通風(fēng)機(jī)故障報(bào)警界面圖

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果分析

結(jié)合上述建立的通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)，為進(jìn)一步驗(yàn)證其系統(tǒng)性能，將其在晉城煤礦中的通風(fēng)機(jī)中進(jìn)行了接近1個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，主要將該系統(tǒng)與井下通風(fēng)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)連接。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，能對(duì)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率、運(yùn)行轉(zhuǎn)速、振動(dòng)情況、工作電壓、工作溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集與檢測(cè)，并將這些信號(hào)與設(shè)置的閥值進(jìn)行對(duì)比判斷。根據(jù)判斷結(jié)果，故障診斷系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，并在顯示界面中對(duì)通風(fēng)機(jī)的故障類型及程度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)該故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通風(fēng)機(jī)約15種運(yùn)行故障類型的診斷檢測(cè)，有效保證了通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率和運(yùn)行安全，并得到了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的一致好評(píng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

提高礦用通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率及保證其作業(yè)安全，已成為當(dāng)下保障井下作業(yè)安全的重要基礎(chǔ)。因此，分析了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的主要故障問(wèn)題，開(kāi)展了通風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的改進(jìn)研究，并將其在晉城煤礦的通風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。結(jié)果表明，該故障診斷系統(tǒng)能對(duì)通風(fēng)機(jī)的各類運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查和診斷，針對(duì)出現(xiàn)的故障問(wèn)題，及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，并得到人員的一致認(rèn)可。該故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，有效保證了通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效果，對(duì)提高通風(fēng)機(jī)及井下作業(yè)安全具有重要意義。