礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警提升安全性的研究

＊王國棟

（山西焦煤集團(tuán)公司官地煤礦通風(fēng)科 山西 030000）

引言

礦井的通風(fēng)系統(tǒng)保障著煤礦的安全生產(chǎn)，但是因?yàn)榈V井內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，并且煤礦企業(yè)為節(jié)約成本使通風(fēng)機(jī)的使用期限長，這些原因?qū)е碌V井通風(fēng)機(jī)極易發(fā)故障。為了保障煤礦的安全生產(chǎn)、提升通風(fēng)機(jī)的安全性，對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行檢測與故障預(yù)警具有重要的意義。加強(qiáng)對(duì)礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警技術(shù)的研究，順應(yīng)智慧礦山發(fā)展的大背景趨勢，有助于保障礦井安全生產(chǎn)和提高企業(yè)效益，具有重要的實(shí)際意義與工程價(jià)值。

1.礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)的意義

我國煤礦對(duì)于通風(fēng)機(jī)檢測主要使用的基于振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)檢測技術(shù)，該技術(shù)的原理是對(duì)通風(fēng)機(jī)的震動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)震動(dòng)幅度分析通風(fēng)機(jī)的狀態(tài)[1]。但是礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)通風(fēng)的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控具有局限性，只能檢測到簡單的故障，現(xiàn)代技術(shù)對(duì)信號(hào)分析的技術(shù)越來越成熟，所以采用新的方式對(duì)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)幅值進(jìn)行監(jiān)測分析能夠提升礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)的安全性與可靠性。采用小波包聯(lián)合階次分析的方法對(duì)提取到的信息進(jìn)行處理，提升了故障診斷效率，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有重要價(jià)值。

2.礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)硬件選擇

礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖1所示，主通風(fēng)機(jī)與主機(jī)都采用煤礦原設(shè)備，需要重新選擇傳感器與數(shù)據(jù)采集卡滿足系統(tǒng)的需求。

圖1 礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

(1)振動(dòng)傳感器選型

礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)使用基于震動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)檢測技術(shù)，所以傳感器使用振動(dòng)傳感器，振動(dòng)傳感器的分類及特點(diǎn)如表1。

表1 振動(dòng)傳感器類型及特點(diǎn)

在對(duì)比之后選擇電測試振動(dòng)傳感器，電測試振動(dòng)傳感器分為檢測加速度和檢測位移兩種，為了保證能對(duì)震動(dòng)信號(hào)精確測量，所以礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)使用加速度振動(dòng)傳感器，加速度振動(dòng)傳感器又可以分為輸出信號(hào)為電流與輸出信號(hào)為電壓兩種型號(hào)；輸出信號(hào)為電壓流的加速度振動(dòng)傳感器在長距離傳輸時(shí)信號(hào)精度差不穩(wěn)定，而輸出信號(hào)為電流的加速度振動(dòng)傳感器抗干擾能力強(qiáng)，適合遠(yuǎn)距離或者復(fù)雜電磁環(huán)境下使用，在礦井內(nèi)對(duì)主通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)進(jìn)行檢測使用輸出信號(hào)為電流的加速度振動(dòng)傳感器。

(2)數(shù)據(jù)采集卡選型

傳感器采集到的信息通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到工業(yè)計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，未來滿足礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)的需求，需要如表2性能要求的數(shù)據(jù)采集卡。

表2 數(shù)據(jù)采集卡性能要求

3.信號(hào)特征提取的方式

主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，傳感器提取到的信號(hào)因?yàn)樽陨聿▌?dòng)的復(fù)雜與環(huán)境的干擾導(dǎo)致難以提取出信號(hào)中蘊(yùn)含的故障特征信息，所以為了解決故障信號(hào)特征提取難的問題，以及區(qū)分主通風(fēng)機(jī)在非平穩(wěn)工作狀態(tài)中變轉(zhuǎn)速狀態(tài)或轉(zhuǎn)速波動(dòng)狀態(tài)中不同的故障特征，對(duì)于特征的提取將會(huì)采用小波包聯(lián)合階次分析的方法，不僅能夠準(zhǔn)確提取有效故障特征中的原始信息數(shù)據(jù)，還能避免因?yàn)樾畔⒉粶?zhǔn)確導(dǎo)致誤診故障的問題。采用小波包聯(lián)合階次分析的特征提取流程如圖2所示。

圖2 采用小波包聯(lián)合階次分析的特征提取

礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)提取通風(fēng)機(jī)在非平穩(wěn)工況特征步驟為：

（1）工業(yè)計(jì)算機(jī)將采集到的通風(fēng)機(jī)信息進(jìn)行處理，確定通風(fēng)機(jī)是變轉(zhuǎn)速狀態(tài)或者變轉(zhuǎn)速波動(dòng)狀態(tài)；

（2）如判定通風(fēng)機(jī)處于轉(zhuǎn)速波動(dòng)狀態(tài)，將使用小波包特征提取的方法對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理；

（3）如判定通風(fēng)機(jī)處于變轉(zhuǎn)速狀態(tài)，采用階次分析特征提取方法對(duì)信息進(jìn)行處理。

小波包聯(lián)合階次分析的方法中分別使用了小波包分析方法和階次分析算法，二者的原理分別為：

①小波包分析方法

礦井主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中因?yàn)檩S承的磨損等因素會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，通風(fēng)機(jī)風(fēng)量也不穩(wěn)定，傳感器采集到的信號(hào)不平穩(wěn)且存在調(diào)制現(xiàn)象，所以利用小波包特征提取的方式能夠更好的處理非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)頻域分析，提升信號(hào)的分辨能力[2]。通過高通和低通濾波器對(duì)小波包進(jìn)行分解，將上一級(jí)頻帶分解得到下一級(jí)子頻帶信號(hào)，分解過程推導(dǎo)公式為：

式中：i為分解級(jí)數(shù)；

h(k)低通濾波器；

g(k)高通濾波器。

②階次分析方法

礦井主通風(fēng)機(jī)在使用過程中會(huì)停機(jī)、啟動(dòng)或者在通風(fēng)量不同時(shí)，通風(fēng)機(jī)的電機(jī)會(huì)變化運(yùn)轉(zhuǎn)速度，此時(shí)通風(fēng)機(jī)振動(dòng)的信號(hào)處于不平穩(wěn)的狀態(tài)，采集到的信號(hào)因?yàn)橥L(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度改變，其中有效的分量頻率也會(huì)發(fā)生變化，采用階次分析的方法能夠有效去除轉(zhuǎn)動(dòng)速度改變對(duì)振動(dòng)信號(hào)的干擾[3]，降低因通風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化對(duì)信號(hào)頻率調(diào)制的影響。階次分析方法中的階次、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及故障特征的頻率可以表示為：

式中：o為階次；

f為故障特征頻率；

n為參考軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

通過公式可以得出故障特征頻率與參考軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度之比為固定大小，即礦井通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中，改變參考軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度階次不會(huì)隨參考軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度發(fā)生改變。

4.結(jié)論

礦井主通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)不可或缺的一部分，保障井下工人們的生命安全，采用小波包聯(lián)合階次分析方法處理信號(hào)數(shù)據(jù)的礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)：

（1）礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)能夠幫助提升煤礦安全性，在故障發(fā)生前預(yù)警或者故障發(fā)生時(shí)判斷故障信息，降低煤礦因?yàn)橥L(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。

（2）采用小波包聯(lián)合階次分析方法處理信號(hào)數(shù)據(jù)的礦井主通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的提取到故障信號(hào)特征，減少故障診斷的時(shí)間甚至是對(duì)故障的誤診，使礦井能安全平穩(wěn)有序的運(yùn)行。