淺析煤礦地質(zhì)勘探機械振動故障檢測與維修

王 磊

（福建省閩東南地質(zhì)大隊，福建 泉州 362000）

0 引言

煤礦地質(zhì)勘探作業(yè)危險性比較大，及時發(fā)現(xiàn)并維修勘探機械設備的故障，對于保障煤礦安全生產(chǎn)、提高煤礦的生產(chǎn)效益具有重要作用[1]。目前煤礦地質(zhì)勘探的機械設備主要通過分析設備振動的信號確認故障再加以維修[2]。但是在分析振動信號時誤差大、精確度不高，導致機械設備故障維修不足或者維修過度[3]。采用機械振動技術檢測故障，通過改進對振動信號的分析方法可以有效提高機械故障的檢測精度[4]。RCM理論是從經(jīng)濟與安全的角度出發(fā)，建立機械設備管理維修一體化，節(jié)約煤礦安全生產(chǎn)的保障成本[5]。通過機械振動技術提高檢測機械設備故障的精確率并采用RCM 理論完善機械設備故障維修體系，以期建立一體化的機械設備管理維修，保證安全的前提下，降低維修成本。

1 判斷機械設備故障征兆點

機械設備的故障維修主要是在設備運行階段，對會發(fā)生故障的部位進行小修，以消除影響勘探機械設備的潛在故障，提高機械設備的使用壽命[6]。根據(jù)機械設備的故障曲線圖1，輔助判斷機械設備的征兆點。

圖1 勘探設備故障率曲線圖

根據(jù)圖1 可知，機械設備在早期運行階段受磨合調(diào)試因素的影響，故障率會增高；設備穩(wěn)定運行過程以及正常生產(chǎn)期時，不容易發(fā)生故障，故障率比較穩(wěn)定。后期機械設備的組件存在老化情況，故障率上升。判斷故障征兆點主要是在設備的穩(wěn)定生產(chǎn)期，機械在穩(wěn)定運行中一些組件出現(xiàn)微小磨損等故障，就是故障征兆點階段的開始。在故障發(fā)生征兆點開始維修，可以增加設備使用壽命，合理利用維修資源。根據(jù)威布爾分布定理，機械設備在使用中狀態(tài)隨著時間變化如圖2 所示。

圖2 設備狀態(tài)變化圖

A 點指設備故障發(fā)生的開始點。B 指設定的故障征兆點，C 指實際的故障征兆點，F(xiàn) 指功能故障發(fā)生點。指設定的故障征兆點與實際的故障征兆點的實踐間隔。在A 設備故障發(fā)生點到C 產(chǎn)生故障點的時間內(nèi)判斷故障征兆點B 進行檢測維修，維修之后Te的值越小T 值越大說明判定的故障征兆點越接近機械故障的臨界點。

2 機械振動故障檢測

2.1 振動信號采集

確認機械設備故障征兆點后，對機械設備進行故障檢測[7]。振動信號診斷故障的第一步是對運行中的勘探機械進行信號采集。煤礦地質(zhì)勘探過程中，環(huán)境比較嘈雜，對振動信號的干擾較大，為提高采樣精度，需要對原始振動信號進行低通濾波，過程如圖3 所示。

圖3 勘探機械振動信號低通濾波流程圖

通過低通濾波的方式過濾掉原始振動信號中的高頻濾波，限制振動信號帶寬，解決使用A/D 轉(zhuǎn)換方法采集數(shù)據(jù)信息時，存在因采樣頻率過低導致的頻率混迭問題，提高采樣精度。采用的技術是A/D 轉(zhuǎn)化法將不斷產(chǎn)生的機械振動信號變?yōu)槿菀讉鬏敗Υ?、分析的?shù)字信號，基于A/D 轉(zhuǎn)化方法的信號采集分為三步：采樣、量化、編碼。具體流程圖如圖4 所示。

圖4 勘探機械振動信號信號采集流程圖

具體信號采集流程是：淤采樣，為保證一次轉(zhuǎn)化傳輸數(shù)據(jù)的準確精度，在進行A/D 信號轉(zhuǎn)化時，需要保持轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓不變，輸出的是精度較高的連續(xù)信號。于量化，對一次轉(zhuǎn)化生成的連續(xù)信號進行幅值量化。即將轉(zhuǎn)化的連續(xù)信號的數(shù)值成整數(shù)倍的量化。A/D 轉(zhuǎn)化位的數(shù)值越大，量化誤差越小。盂編碼，采樣將連續(xù)信號變?yōu)殡x散序列。代表采樣頻繁程度，數(shù)值越小，采樣越頻繁，需要的計算量以及內(nèi)存也越大。如果值太大，容易丟失振動信號，引起混頻，降低分析精度。因此先對原始信號進行低通濾波，再通過A/D 轉(zhuǎn)化方式采集的數(shù)據(jù)信號具有較高的精確度，以此來實現(xiàn)振動信號的采集過程。

2.2 時域及頻譜分析

完成振動信號的采集之后，使用數(shù)據(jù)挖掘中的離散化方式將數(shù)據(jù)信號預處理，而后從時域和頻譜兩個緯度對數(shù)據(jù)信號進行分析。

進行時域分析時，主要通過對數(shù)據(jù)信號的波形的振幅大小以及變化快慢特性進行分析。根據(jù)煤礦地質(zhì)勘探機械設備的反饋值提取振動數(shù)據(jù)信號的峭度值、均方根值等參數(shù)。振動數(shù)據(jù)信號的峭度值茁的計算式為：

式中，N 代表一個波形周期中數(shù)據(jù)采樣個數(shù)，對應個數(shù)的振動幅度值用xt表示，峭度對大幅值敏感。在機械發(fā)生故障的早期，振動信號收到?jīng)_擊脈沖時，峭度值可以準確的反映機械早期的故障。但是機械故障后期，峭度隨故障的發(fā)展會下降，穩(wěn)定性降低。這時需要另一個參數(shù)均方根值。均方根Xrms的計算式：

式中，T 代表波形的周期值。均方根值具有良好的穩(wěn)定性，適用于故障檢測的全程檢測。通過煤礦地質(zhì)勘探機械設備在運行中的振動信號檢測，確認機械中的原件在運行中存在異常，選定該征兆點的設備運行參數(shù)與正常時刻的時域指標范圍對比，初步評估機械設備的基礎運行情況。繼而對振動信號的頻譜做進一步分析。

進行頻譜分析時，將振動數(shù)據(jù)信號的振動周期與頻率作為主要指標，研究幅值隨著頻率的變化情況。定義機械設備發(fā)生振動產(chǎn)生能量變化的總和為幅值，幅值X（棕）的主要計算式：

式中，棕代表角頻率，通過檢測各頻率對應的振幅總和的變化情況，檢測出機械設備原件的故障情況。不同工況下，機械的頻譜幅值是不同的，若頻譜中幅值波峰同步，相關人員則可發(fā)現(xiàn)機械設備原件中存在葉片磨損、不平衡、不對中等故障；若幅值波峰次同步，則代表機械設備運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)皮帶松動、油膜渦動等故障；幅值波峰不同步，則可判斷出機械設備運行中產(chǎn)生氣穴、噪音等現(xiàn)象。

2.3 故障特征提取

對采集到的煤礦地質(zhì)勘探機械師設備的振動信號進行時域及頻譜的分析之后，根據(jù)對應振動信號與產(chǎn)生的故障做特征提取，總結探勘機械設備主要存在幾種故障，對應的故障特征見表1。

表1 煤礦勘探機械常見故障特征

由表1 可知，淤振動不平衡故障在信號頻譜中的表現(xiàn)，振動頻率在1 倍轉(zhuǎn)速時的更加突出振動尖峰，且振動幅值總是大于總振動幅值的85%。于機械不對中故障，振動信號的出現(xiàn)高倍頻率特征，振動出現(xiàn)較強的穩(wěn)定性，矢量沒有改變。盂轉(zhuǎn)子徑向摩擦中，振動信號出現(xiàn)高頻振動特征，且振動頻率不穩(wěn)定，矢量出現(xiàn)變化。榆油膜渦動故障中，振動頻率是正常機械振動頻率的一半，隨著機械設備的繼續(xù)運行，信號振動頻率穩(wěn)定在一倍頻率以上，徑向振動振幅較大。矢量發(fā)生改變。虞滾動軸承損傷，振動信號頻率較高，振動極不穩(wěn)定，振動頻率隨著軸承的損傷發(fā)生改變，矢量發(fā)生改變而且變化量比較大。

分析勘探設備機械振動信號的頻譜，將每條頻譜分量的幅值大小，變化情況以及存在關系與機械故障特征對照聯(lián)系，可以確定勘探機械設備的狀態(tài)，從而完善設備維修周期，建立科學的維修體系。

3 RCM 管理體系維修

3.1 計算故障維修周期

上述利用機械信號振動技術檢測了勘探機械設備的不同組件發(fā)生故障的特征，接下來需要根據(jù)不同的組件對應的故障進行維修分析，制定適當?shù)木S休計劃。在RCM 理論中，確定設備維修計劃的關鍵是計算維修周期。維修周期的大小決定了故障率以及維修成本。因此，在計算故障維修周期時，引入總維修成本概念，即維修成本與故障損失之和。只要使總維護成本達到最小，就可判斷此時為機械設備的最佳維護周期。故障維修周期T 的計算式：

式中Tf，C（T）指的是總故障維修成本，指的是組件故障功能后，需要維修的平均時間；TP指的是組件功能故障前，預測維修需要平均時間。R（T）指根據(jù)威布爾分布計算的機械設備組件可靠性的分布函數(shù)，Cf指組件功能故障后，需要維修的平均成本，CP指組件功能故障前，預測維修需要平均成本?？偝杀咀钚r，則為最佳故障維修周期。煤礦地質(zhì)勘探設備的機械維修，重點在于預防性維修中，確定最佳維修周期，能夠有效降低煤礦勘探機械設備的故障風險，最大限度提高設備的耐久性與安全性。

3.2 管理維修一體化

把煤礦勘探設備的故障維修檢測、維修時間、維修成本、維修周期以及維修反饋等集中維修要素結合在一起，采用RCM 思想，將故障造成的成本與維修成本控制在最小，從而建立科學的機械設備的管理維修一體化。建立一體化管理的主要步驟是對運行設備的維修情況進行及時的記錄并分析，為進一步管理做數(shù)據(jù)準備。為保障一體化管理的可靠性，根據(jù)RCM 思想建立煤礦地質(zhì)勘探設備維修管理一體化流程，RCM最重要的步驟是判定不同級別的故障模式，以及故障造成的影響。在組件的故障分析中，主要對組件的故障形成原因以及對勘探設備造成影響的因素進行統(tǒng)計分析，最終確定故障率高組件，優(yōu)化管理維修系統(tǒng)。為提高維修效率，在預防性維護間隔內(nèi)，對組件故障進行組合維修。RCM 維修管理一體化的可靠性主要通過機械設備故障后的影響程度來確定故障維修的優(yōu)先度，從而選擇合適的維修方案。設計評估體系以機械設備的實際出動率，維修方案的落實情況、維修材料以及零件的供應情況、以及故障周期的合理程度四個緯度為評估標準，通過合理性評估保證機械設備維修管理的科學性。

4 結語

煤礦地質(zhì)勘探機械設備的安全運行，對煤礦安全高效的生產(chǎn)具有重要意義。通過確認機械故障征兆點，運用機械振動技術檢測故障，以及測算故障維修周期進而建立勘探設備管理維修一體化。通過機械振動信號分析故障可以極大提高故障檢測的準確精度，建立具有RMD 思想的維修管理一體化，提高機械維修管理的可靠性。本研究提出的機械振動檢測技術以及建立的RMD 維修管理一體化機制能夠提高煤礦勘探機械設備的維修效率，能夠為促進煤礦勘探事業(yè)的發(fā)展提供一定參考。