礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與管理中機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

徐國(guó)明

（遼寧新都黃金有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

我國(guó)的礦產(chǎn)資源豐富，在礦山開(kāi)采工程中需要使用許多機(jī)械、電氣以及電氣自動(dòng)化等機(jī)電設(shè)備。礦山機(jī)電設(shè)備在使用中會(huì)因?yàn)樽陨碓O(shè)計(jì)以及日常使用維護(hù)、管理等因素，出現(xiàn)不同類型、程度的故障從而導(dǎo)致礦山開(kāi)采工程在施工時(shí)因機(jī)電設(shè)備的故障因素而出現(xiàn)施工危險(xiǎn)或影響施工進(jìn)程。機(jī)械故障診斷技術(shù)包含了機(jī)械故障檢測(cè)、識(shí)別、故障位置定位以及做出故障診斷決策方案等環(huán)節(jié)。隨著對(duì)設(shè)備故障檢測(cè)技術(shù)的研究不斷深入，越來(lái)越多不同類型的故障診斷技術(shù)應(yīng)用于多種行業(yè)設(shè)備使用[1]。而在礦山生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用故障診斷技術(shù)能夠降低礦山機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)故障的概率，避免因機(jī)電設(shè)備故障影響工程作業(yè)安全，拖緩礦山施工效率。基于以上分析內(nèi)容，本文將對(duì)礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與管理中機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 機(jī)械故障診斷技術(shù)分析

不同的種類機(jī)械故障診斷技術(shù)適用于不同類型的礦山機(jī)電設(shè)備，本節(jié)將對(duì)常見(jiàn)的機(jī)械故障診斷技術(shù)進(jìn)行分析，從而研究在礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與管理中機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用。

根據(jù)相關(guān)資料，機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)根據(jù)原理可以劃分為基于解析模型的故障診斷技術(shù)、基于信號(hào)處理的故障診斷技術(shù)和基于知識(shí)的故障診斷技術(shù)三種類型，這三種故障診斷技術(shù)依據(jù)其原理的不同適用的故障診斷條件不同。若需要故障診斷的機(jī)械設(shè)備的抽象模型已知，則可以采用基于解析模型的故障診斷技術(shù)；若機(jī)械設(shè)備的輸入、輸出信號(hào)已知，可以采用基于信號(hào)處理的故障診斷技術(shù)進(jìn)行故障診斷；若無(wú)法建立診斷對(duì)象的定量模型也無(wú)法獲取診斷設(shè)備的輸入、輸出信號(hào)，則可以采用基于知識(shí)的故障診斷技術(shù)。

如今利用信號(hào)處理原理的故障診斷技術(shù)通過(guò)短時(shí)傅里葉變換、小波變換等信號(hào)處理方法結(jié)合時(shí)頻域分析方法，實(shí)現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的信號(hào)故障診斷。其中，基于共振稀疏分解的故障診斷方法是利用礦山機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障后，通過(guò)對(duì)信號(hào)采集裝置采集到設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行共振稀疏分解。具體利用共振稀疏分解原理進(jìn)行故障診斷的流程圖如下所示[2]。

圖1 共振稀疏分解故障診斷流程

由于在機(jī)械設(shè)備中，軸承、齒輪部件的振動(dòng)信號(hào)更加容易被采集，而且軸承、齒輪部件極易受到其它連接部件的影響。除此之外，在設(shè)備的正常工作運(yùn)行中，軸承、齒輪部件的磨損率較大，更容易出現(xiàn)故障，而這種故障診斷技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械中的齒輪部件進(jìn)行故障診斷，能夠及時(shí)判斷軸承、齒輪部件是否需要替換，降低相關(guān)部件的損耗幾率。

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備向自動(dòng)化、智能化、大型化方向發(fā)展，根據(jù)信號(hào)處理原理對(duì)大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷時(shí)會(huì)受到機(jī)械內(nèi)部其它部件運(yùn)行時(shí)的影響，而大型機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜構(gòu)造，無(wú)法建立準(zhǔn)確的設(shè)備系統(tǒng)模型，只能采用基于知識(shí)的故障診斷技術(shù)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，利用人工智能進(jìn)行知識(shí)的自動(dòng)獲取提高了故障診斷的準(zhǔn)確率和效率。基于支持向量回歸原理的機(jī)械故障診斷技術(shù)利用算法提取機(jī)械故障特征，再經(jīng)由支持向量分類處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械故障的診斷。這種故障診斷技術(shù)的精度高、速度快，并且能夠同時(shí)對(duì)復(fù)雜大型機(jī)械內(nèi)部所有可疑故障位置同時(shí)進(jìn)行故障診斷，診斷效率極高。而且隨著機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域研究的不斷深入，通過(guò)引入專家系統(tǒng)可以在精準(zhǔn)診斷出機(jī)械故障的同時(shí)給出較為詳細(xì)的故障維修管理方案，進(jìn)一步保障機(jī)械運(yùn)行的平穩(wěn)安全。

基于模型的故障診斷技術(shù)通過(guò)將誘拐診斷和一致性診斷相結(jié)合的形式，利用機(jī)械產(chǎn)生故障行為的因果模型作為分析對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械故障的診斷。這種故障診斷技術(shù)的核心是對(duì)機(jī)械部件碰集的求解，即通過(guò)對(duì)機(jī)械故障特征集合、征兆與機(jī)械故障之間先驗(yàn)信息關(guān)系的定量或定性分析。利用相關(guān)改進(jìn)算法能夠進(jìn)一步提高基于模型的機(jī)械故障診斷技術(shù)的精確度。但是這種故障診斷技術(shù)在診斷時(shí)無(wú)法靈活調(diào)整模型對(duì)待診斷對(duì)象的表征，而且在求解問(wèn)題時(shí)，這種診斷技術(shù)的開(kāi)銷較大，只適用于對(duì)小型、簡(jiǎn)單、靜態(tài)控制的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷[3]。

根據(jù)以上分析內(nèi)容，本文將結(jié)合實(shí)際研究礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與管理中的機(jī)械故障診斷技術(shù)應(yīng)用。

2 礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與管理中機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

2.1 故障診斷在礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程中的機(jī)械故障診斷技術(shù)主要是應(yīng)用于對(duì)設(shè)備控制的軟件部分的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及故障診斷。在礦山機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，設(shè)備的控制參數(shù)出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備從軟故障轉(zhuǎn)變?yōu)橛补收?，從而引發(fā)機(jī)械的重大故障。因此，在礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)中，對(duì)于容易發(fā)生振動(dòng)的部件加裝振動(dòng)傳感器采集這一類振動(dòng)部件的振動(dòng)頻率信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)傳輸至設(shè)備的運(yùn)行管理終端，從而利用基于信號(hào)分析的故障診斷技術(shù)對(duì)振動(dòng)部件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷。

對(duì)礦山開(kāi)采使用的礦用高壓異步機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用基于模型的故障診斷技術(shù)和基于信號(hào)分析的故障診斷技術(shù)相結(jié)合的形式。在設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)礦山開(kāi)采工程的相關(guān)參數(shù)，在計(jì)算機(jī)建模軟件中對(duì)礦用高壓異步機(jī)在工程作業(yè)時(shí)的具體過(guò)程進(jìn)行建模。根據(jù)計(jì)算機(jī)建立的相關(guān)模型使用基于模型的故障診斷技術(shù)進(jìn)行模擬故障診斷，根據(jù)故障診斷結(jié)果對(duì)實(shí)際的礦用高壓異步機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)初期最大程度上避免因設(shè)計(jì)參數(shù)因素而導(dǎo)致礦用高壓異步機(jī)出現(xiàn)故障。除此之外，在礦用高壓異步機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，加入傳感器零件，以便于在礦用高壓異步機(jī)使用時(shí)結(jié)合其它故障診斷技術(shù)，提升礦用高壓異步機(jī)使用的可靠性。

對(duì)于礦用開(kāi)采使用的大型設(shè)備，主要根據(jù)開(kāi)采礦物的硬度、開(kāi)采總作業(yè)量、日計(jì)劃開(kāi)采作業(yè)量等詳細(xì)作業(yè)參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)定量建模的形式對(duì)開(kāi)采設(shè)備在開(kāi)采作業(yè)中容易出現(xiàn)大量磨損的部件的使用壽命進(jìn)行估算。結(jié)合相關(guān)礦采工程歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)礦用開(kāi)采各易磨損部件的使用壽命閾值。當(dāng)實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的閾值及時(shí) 替換相關(guān)部件。

在礦井提升機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)礦采工程作業(yè)規(guī)模，計(jì)算礦井提升機(jī)的最大承載重量，以及在最大承載重量下能夠平穩(wěn)提升作業(yè)的最大次數(shù)。設(shè)定礦井提升機(jī)的最大作業(yè)量，并在提升機(jī)上加裝保險(xiǎn)繩索，進(jìn)一步保障礦井提升機(jī)在施工作業(yè)時(shí)的正常運(yùn)行穩(wěn)定。

除此之外，考慮礦用機(jī)電設(shè)備在工作時(shí)由于作業(yè)開(kāi)采量較大，機(jī)械設(shè)備容易出現(xiàn)發(fā)熱問(wèn)題，因此機(jī)電設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮溫度因素。當(dāng)機(jī)械運(yùn)行時(shí)超出設(shè)計(jì)的正常工作溫度時(shí)，則考慮可能因?yàn)闄C(jī)械設(shè)備內(nèi)部溫度升高而導(dǎo)致機(jī)械出現(xiàn)故障。在礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用多種故障診斷技術(shù)能夠有效提升設(shè)備使用時(shí)故障排除效率，避免因設(shè)計(jì)缺陷影響礦山工程作業(yè)進(jìn)度。

2.2 故障診斷在礦山機(jī)電設(shè)備管理中的應(yīng)用

除了在礦用機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用故障診斷技術(shù)，在礦采施工作業(yè)時(shí)對(duì)設(shè)備的管理維護(hù)也需要應(yīng)用故障診斷技術(shù)。

在礦用高壓異步機(jī)日常工作作業(yè)時(shí)，主要采用局部放電檢測(cè)技術(shù)、磁通檢測(cè)技術(shù)、電流高次諧波技術(shù)三種基于信號(hào)處理分析的故障診斷檢測(cè)技術(shù)綜合對(duì)礦用高壓異步機(jī)的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行故障診斷處理。在礦用高壓異步機(jī)的日常作業(yè)過(guò)程中，對(duì)高壓部件采用局部放電檢測(cè)技術(shù)采集對(duì)應(yīng)部件的脈沖信號(hào)變化量，經(jīng)過(guò)分析后判斷對(duì)應(yīng)部件是否出現(xiàn)故障。對(duì)于高壓異步機(jī)中的磁感應(yīng)構(gòu)件采用磁通探傷傳感器采集損傷部件的磁通信號(hào)變化，并根據(jù)磁感應(yīng)構(gòu)件設(shè)計(jì)使用的材料特性，考慮材料本身特性造成的磁通信號(hào)非均勻性變化，以及溫度、濕度等外界環(huán)境的影響，精準(zhǔn)對(duì)磁感應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行故障診斷。由于礦用高壓異步機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也受供電電網(wǎng)中電壓、電流的影響，使用電流高次諧波技術(shù)對(duì)供電電網(wǎng)中的信號(hào)進(jìn)行諧波分析，結(jié)合電網(wǎng)正常運(yùn)行供電時(shí)的電壓、電流信號(hào)諧波特征，從而完成對(duì)礦用高壓異步機(jī)的故障診斷。

在礦用機(jī)電設(shè)備的管理過(guò)程中，對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)的故障診斷主要使用集成了信號(hào)監(jiān)測(cè)、采集、故障診斷分析的專業(yè)故障診斷儀進(jìn)行礦用通風(fēng)機(jī)的日常運(yùn)行狀態(tài)故障診斷。當(dāng)?shù)V用通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，由故障診斷儀對(duì)故障位置、原因等進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，設(shè)備管理人員需要根據(jù)儀器顯示的相關(guān)結(jié)果結(jié)合自身機(jī)械設(shè)備維修管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)出現(xiàn)的故障進(jìn)行處理。

礦采提升機(jī)的日常管理維護(hù)過(guò)程中，需要每日檢測(cè)提升機(jī)械軟件控制部分是否存在報(bào)錯(cuò)，并對(duì)軟件控制部分進(jìn)行運(yùn)行故障診斷。除了對(duì)軟件控制部分進(jìn)行故障診斷，還需根據(jù)礦采作業(yè)人員的反饋對(duì)硬件部分的構(gòu)件進(jìn)行故障診斷。對(duì)于其它小型或特殊用途的機(jī)電設(shè)備主要采用故障檢測(cè)儀、人工經(jīng)驗(yàn)監(jiān)測(cè)、無(wú)損檢測(cè)等多種方法 進(jìn)行故障診斷，建立完善的故障分析與排除機(jī)制，從而定時(shí)養(yǎng)護(hù)、更換、維修故障率較高的機(jī)電設(shè)備機(jī)械構(gòu)件。通過(guò)在礦山機(jī)電設(shè)備的日常管理中應(yīng)用多種故障診斷技術(shù)能夠有效提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命，保證礦山工程的安全生產(chǎn)。

以上內(nèi)容，即為本文對(duì)礦山機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與管理中機(jī)械故障診斷技術(shù)的應(yīng)用的研究。3 結(jié)語(yǔ)

礦山機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)性能和運(yùn)行狀態(tài)對(duì)礦山開(kāi)采工程的正常開(kāi)展十分重要。在礦山機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用運(yùn)行的過(guò)程中，都需要應(yīng)用到機(jī)械故障診斷技術(shù)。通過(guò)應(yīng)用針對(duì)不同設(shè)備部件的診斷技術(shù)，能夠維護(hù)設(shè)備在礦山工程中的日常運(yùn)行，避免因機(jī)電設(shè)備故障導(dǎo)致礦山工程停工或出現(xiàn)施工危險(xiǎn)。在未來(lái)的研究過(guò)程中仍需要針對(duì)當(dāng)前故障診斷技術(shù)的確定進(jìn)行深入研究，以提高故障診斷技術(shù)的使用精度。