煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障診斷及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

韓偉佳

摘 ?要：科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械逐漸實(shí)現(xiàn)了大型化和自動(dòng)化，并且在煤礦企業(yè)中廣泛利用。煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作環(huán)境比較惡劣，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械可能會(huì)發(fā)生故障，影響到煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)。文章分析了煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障診斷，分析了預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保障煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的可持續(xù)。

關(guān)鍵詞：煤礦企業(yè);旋轉(zhuǎn)機(jī)械;在線(xiàn)故障診斷;預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH17 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0094-02

Abstract： With the continuous development of science and technology， coal mine rotating machinery has gradually achieved largescale and automation， and is widely used in coal mining enterprises. The working environment of coal mine rotary machinery is relatively bad. Through long-term operation， coal mine rotary machinery may break down， affecting the normal production of coal mining enterprises. This paper analyzes the on-line fault diagnosis of coal mine rotating machinery and the design of early warning system to ensure the sustainable operation of coal mine rotating machinery.

Keywords： coal mining enterprise; rotating machinery; online fault diagnosis; early warning system design

我國(guó)煤礦開(kāi)采領(lǐng)域近些年致力于發(fā)展智慧礦山建設(shè)，落實(shí)煤炭智能開(kāi)采，在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，各種礦山機(jī)械發(fā)揮著重要的作用，實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)械的智能化，工作人員需要全方位的檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，保障煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械開(kāi)采工作的連續(xù)性。煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械通常是在惡劣的工作環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)。導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)不斷發(fā)生系統(tǒng)故障，無(wú)法準(zhǔn)確診斷煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障。本文論述了煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障診斷，提出預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，保障煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械高效運(yùn)轉(zhuǎn)，保障煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 概述煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障診斷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

設(shè)置煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障診斷和預(yù)警系統(tǒng)，負(fù)責(zé)處理相關(guān)信號(hào)，提示預(yù)警和診斷，保障數(shù)據(jù)管理和輔助的作用，可以詳細(xì)劃分為時(shí)域分析模塊和頻域分析模塊以及特征頻率計(jì)算模塊等。[1]

1.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)診斷和故障預(yù)警系統(tǒng)的工作需求，提出整體設(shè)計(jì)思路：首先利用傳感器實(shí)施采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，并且分析時(shí)域數(shù)據(jù)和頻域數(shù)據(jù)，明確煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行階段，各個(gè)部件的運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間，自動(dòng)分類(lèi)存儲(chǔ)特征參數(shù)。其次在數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)承擔(dān)審核故障，通過(guò)對(duì)比分析，確定煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障。

在煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障診斷系統(tǒng)中，基本數(shù)據(jù)源是原始數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量直接關(guān)系到診斷結(jié)果的精準(zhǔn)性。傳感裝置精度關(guān)系到原始信號(hào)采集質(zhì)量，此外選擇的測(cè)點(diǎn)位置和采樣頻率等也發(fā)揮著重要的作用，根據(jù)煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械特征，選擇合適的測(cè)點(diǎn)，有效降低信號(hào)處理的難度，同時(shí)可以更加便利的落實(shí)特征提取工作，使故障診斷的精準(zhǔn)性因此提高。利用振動(dòng)感應(yīng)裝置測(cè)定電機(jī)振動(dòng)情況，并且向信號(hào)采集裝置中傳輸所測(cè)的振動(dòng)信號(hào)，利用A/D轉(zhuǎn)化器向服務(wù)器中傳輸時(shí)域信號(hào)。

為了自動(dòng)檢索煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障，落實(shí)故障診斷工作，建立煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械數(shù)據(jù)庫(kù)，并且提出針對(duì)性的設(shè)計(jì)思路。數(shù)據(jù)庫(kù)中包括煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械的常見(jiàn)機(jī)械故障，其中涉及到通風(fēng)機(jī)和壓風(fēng)機(jī)以及抽水泵等部件的信息，同時(shí)可以分析故障原因，提出針對(duì)性的故障解決措施。完成在線(xiàn)診斷之后，系統(tǒng)可以提出針對(duì)性的診斷結(jié)果，自動(dòng)提取數(shù)據(jù)中的故障類(lèi)型，提出針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，在用戶(hù)監(jiān)測(cè)界面中確定故障區(qū)域，利用故障提示狀態(tài)燈的作用，幫助用戶(hù)明確故障設(shè)備。

1.3 設(shè)計(jì)信號(hào)分析方法

根據(jù)煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械類(lèi)型特征，根據(jù)針對(duì)性的特征信號(hào)選擇合適的信號(hào)分析方法，常用的信號(hào)分析方法包括頻譜分析和功率譜分析以及網(wǎng)絡(luò)譜分析等。利用頻譜分析方式，可以明確信號(hào)頻域的特征，利用功率譜分析方式，可以提取頻域中的噪聲信號(hào)。利用包絡(luò)譜分析方法，可以獲取沖擊信號(hào)，可以有效診斷齒輪故障。利用倒頻譜分析方式，可以提取分析原頻譜中的周期性信號(hào)。[2]

三相電機(jī)利用耦合裝置連接軸承，同時(shí)可以互聯(lián)減速裝置，落實(shí)聯(lián)通負(fù)載工作。煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，在故障診斷過(guò)程中，工作人員需要測(cè)定電機(jī)溫度和振動(dòng)情況，連接測(cè)點(diǎn)位置和待診斷部件，降低噪聲干擾的影響，使信號(hào)處理難度因此降低。選取測(cè)點(diǎn)位置，需要全面考慮安裝特性，為安裝工作提供便利，避免干擾到機(jī)器實(shí)際運(yùn)行工作。

煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中，軸承部件會(huì)產(chǎn)生徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)，其中比較明顯的徑向振動(dòng)。在煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械安裝階段，需要利用徑向安裝方式，測(cè)量電機(jī)振動(dòng)和設(shè)備軸承徑向振動(dòng)情況，利用振動(dòng)感應(yīng)確定位置信息，精準(zhǔn)分析相關(guān)振動(dòng)頻率，有效判定煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障類(lèi)型，在電機(jī)外殼布設(shè)溫度感應(yīng)裝置，確定電機(jī)外殼的溫度，為煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障診斷提供參考價(jià)值。

1.4 診斷過(guò)程分析

大量檢測(cè)煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行數(shù)，通過(guò)匯總分析之后，建立煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過(guò)程在包絡(luò)圖譜。如果加速度超過(guò)了報(bào)警值，確定煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械存在故障，利用自行對(duì)比分析數(shù)據(jù)，確定故障類(lèi)型和發(fā)生故障的部位。根據(jù)故障圖譜建立數(shù)據(jù)庫(kù)，在煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中，可以快速識(shí)別故障，保障判定效果。工作人員對(duì)比振動(dòng)總值范圍之后，需要觀測(cè)相應(yīng)的頻譜圖，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)有效判定故障類(lèi)型。

2 煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械預(yù)警診斷方法

為了有效保存設(shè)備參數(shù)，需要設(shè)計(jì)針對(duì)性的故障診斷模式，在實(shí)際工作過(guò)程中可以利用精細(xì)診斷方式和粗略診斷方式。如果工作人員明確煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，可以利用精細(xì)診斷模式，否則需要利用粗略診斷模式。

利用精細(xì)診斷方式，主要包括絕對(duì)診斷方式和相對(duì)診斷方式，將煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以計(jì)算特征頻率，通過(guò)絕對(duì)診斷方式，對(duì)比實(shí)時(shí)信號(hào)特征頻率，確定設(shè)備故障狀態(tài)。利用相對(duì)診斷方式，通過(guò)對(duì)比信號(hào)特征頻率幅值，有效判斷設(shè)備的故障情況。[3]

利用粗略診斷模式，無(wú)需利用設(shè)備機(jī)構(gòu)參數(shù)，利用時(shí)域分析和頻域分析等方式，可以確定峰值和有效值以及均方值等參數(shù)，保障設(shè)備故障診斷效果。粗略診斷主要包括絕對(duì)診斷方式和相對(duì)診斷方式。利用絕對(duì)診斷方式，需要結(jié)合特征參數(shù)范圍，確定煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障裝填，利用相對(duì)診斷方式，對(duì)比分析實(shí)時(shí)信號(hào)特征參數(shù)，確定煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障狀態(tài)。

工作人員可以利用互鎖方式，關(guān)聯(lián)利用精細(xì)診斷模式和粗略診斷模式，如果工作人員選擇利用精細(xì)診斷模式，不再運(yùn)行粗略診斷模式程序。如果利用粗略診斷模式，不再運(yùn)行精細(xì)診斷模式程序。[4]

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)配置模塊中需要設(shè)置監(jiān)測(cè)對(duì)象和通道以及預(yù)警診斷方案，工作人員需要配置傳感器通道，選擇診斷和預(yù)警方案，科學(xué)計(jì)算主要部件理論特征頻率。利用用戶(hù)監(jiān)測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)預(yù)警顯示和診斷顯示以及報(bào)表打印等。用戶(hù)監(jiān)測(cè)界面包括頻域圖和時(shí)域圖以及故障提示等部分。[5]

針對(duì)時(shí)域圖部門(mén)，工作人員點(diǎn)擊“原始波形”，打開(kāi)LED，將預(yù)處理波形圖顯示出來(lái)，再次點(diǎn)擊“原始波形”，LED因此變暗，可以將波形圖顯示出來(lái)。點(diǎn)擊“診斷報(bào)告”，利用Word形式導(dǎo)出診斷結(jié)果，并且實(shí)現(xiàn)結(jié)果的打印和存檔。改變系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備之后，工作人員點(diǎn)擊“返回”，因此進(jìn)入到設(shè)備選擇界面。利用頻域圖顯示出有效值和均方值以及波形因數(shù)等方面的參數(shù)。

利用狀態(tài)燈的方式提示故障分布情況，將煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)顯示出來(lái)，紅燈代表故障，黃燈代表警告，綠燈表達(dá)設(shè)備正常。同步落實(shí)故障類(lèi)型提示和狀態(tài)等，工作人員可以因此確定故障類(lèi)型和發(fā)生故障的原因，同時(shí)可以在提示框中顯示出故障治理措施建議。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集模塊中利用采集儀，利用通道模擬采樣工作，利用通道數(shù)字化轉(zhuǎn)速計(jì)輸入通道，有效轉(zhuǎn)換24位模數(shù)，利用加速度常年期確定動(dòng)態(tài)參數(shù)和采樣頻率以及頻寬等參數(shù)。在監(jiān)測(cè)煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，利用磁座和螺紋連接方式在監(jiān)測(cè)設(shè)備的傳動(dòng)設(shè)備上固定加速度傳感器，結(jié)合模態(tài)分析結(jié)構(gòu)，將傳感器安裝在振動(dòng)較大的部位。設(shè)置有效測(cè)點(diǎn)，需要不斷縮短振動(dòng)信號(hào)的傳輸過(guò)程，可以在傳動(dòng)系統(tǒng)的軸承部位布置傳感器，可以因此實(shí)時(shí)收集轉(zhuǎn)軸和軸承等方面的故障信息。工作人員可以結(jié)合監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)量和設(shè)備測(cè)點(diǎn)數(shù)確定傳感器通道數(shù)，連接系統(tǒng)軟和32路信號(hào)，可以對(duì)于多個(gè)設(shè)備同時(shí)起到監(jiān)測(cè)作用。[6]

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

為了保障煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)診斷和預(yù)警系統(tǒng)的作用，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，模擬煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子不平衡的故障，利用加速度傳感器采集設(shè)備信號(hào)，對(duì)于煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

轉(zhuǎn)子處于正常的狀態(tài)，需要測(cè)試軟件系統(tǒng)狀態(tài)，故障提示燈顯示為綠色，保障煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)為正常，工作人員可以提取原始數(shù)據(jù)，落實(shí)頻譜分析。工作人員可以將螺釘加載在轉(zhuǎn)子圓盤(pán)上，模擬轉(zhuǎn)子不平衡的狀態(tài)，故障提示區(qū)域可以顯示出轉(zhuǎn)子的故障狀態(tài)，同時(shí)亮起紅燈，工作人員需要提取原始數(shù)據(jù)，落實(shí)頻譜分析工作。在轉(zhuǎn)子一倍頻出，幅值處于0.0015g附近，不符合正常狀態(tài)幅值，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)諧波，這些情況屬于轉(zhuǎn)子不平衡的故障特征。故障診斷系統(tǒng)診斷結(jié)果和頻譜分析結(jié)果具有一致性，因此煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械預(yù)警系統(tǒng)具備有效性。[7]

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文主要論述了煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械在線(xiàn)故障診斷和預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確識(shí)別煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障，并且及時(shí)發(fā)出提示，保障在線(xiàn)故障診斷效果，整體操作比較簡(jiǎn)單，同時(shí)具有較高的可靠性，保障煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行的正常性，提升煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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