神東石圪臺煤礦膠帶輸送機(jī)故障診斷方式研究

李 新

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司石圪臺煤礦，陜西 榆林 719300)

0 引言

帶式輸送機(jī)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，主要負(fù)責(zé)長距離、大批量的連續(xù)性生產(chǎn)。在電力生產(chǎn)、礦物質(zhì)開采、港口運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中隨處可見。該設(shè)備具有運(yùn)行距離長、可長時間連續(xù)性運(yùn)行、輸送量大、運(yùn)行可靠、設(shè)備費(fèi)用低等特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備[1-3]。隨著國家對煤炭能源的需求不斷提高，開采技術(shù)和勘探技術(shù)不斷提升，對于膠帶輸送機(jī)的大運(yùn)量、穩(wěn)定運(yùn)行、長距離的要求也越來越高[4-5]。并且隨著礦井的開采面積不斷加大，大多都開始采用逐級順序運(yùn)送的方式工作，多臺輸送機(jī)串聯(lián)或者并聯(lián)工作。如果中間的輸送機(jī)出現(xiàn)故障就會影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行，所以針對帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控和智能故障診斷以及遠(yuǎn)程控制性能要求較高。

因?yàn)槊旱V井下工作環(huán)境比較特殊，膠帶輸送機(jī)輸送距離較遠(yuǎn)、需要連續(xù)長時間運(yùn)行，并且本身也具有較高的自動化程度，設(shè)備結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，精確零部件較多，受環(huán)境溫度、濕度等影響較高，這就導(dǎo)致設(shè)備的故障診斷較為困難，會使得設(shè)備在運(yùn)行的時候容易受到較大的損害[6-12]。本文以石圪臺煤礦為研究對象，使用智能診斷方式對膠帶輸送機(jī)進(jìn)行研究優(yōu)化，以提高該礦膠帶機(jī)使用的安全性。

1 膠帶機(jī)基本構(gòu)成與常見故障

1.1 工作原理

膠帶機(jī)是一個比較復(fù)雜的設(shè)備，由支撐膠帶的機(jī)架、起到傳動效果的膠帶、膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)的托輥、電機(jī)設(shè)備、自動清掃裝置、拉緊裝置等部分組成。

托輥和機(jī)架：托輥用于支撐膠帶輸送機(jī)上下段膠帶，目的就是為了減少膠帶運(yùn)行的阻力，能夠使膠帶在一定的要求內(nèi)保持良好的垂度，保證膠帶機(jī)安全運(yùn)行；機(jī)架則用于安裝和固定托輥，機(jī)架的高度、長度可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況安裝，主要起到支撐膠帶、托輥和物料的作用。

膠帶：膠帶機(jī)中的膠帶也是滾動膠帶機(jī)中的重要單元，承擔(dān)起物料輸送、牽引的作用，因?yàn)椴傻V是一個比較特殊的工作，其具有大物料量、長距離運(yùn)輸，長時間的長距離運(yùn)行的特點(diǎn)。膠帶機(jī)正是因?yàn)檫@種工作特點(diǎn)，成為了煤礦工作中的故障高發(fā)設(shè)備，這就對膠帶機(jī)提出了高強(qiáng)度、高韌性的要求。

驅(qū)動裝置：驅(qū)動裝置由驅(qū)動單元和主動滾筒組成，也就是驅(qū)動電機(jī)，利用這種電機(jī)能夠?yàn)槟z帶提供牽引力，實(shí)現(xiàn)膠帶傳輸、運(yùn)行，將膠帶上部的物料運(yùn)輸?shù)教囟ǖ奈恢?。根?jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)得出，驅(qū)動電機(jī)也是膠帶機(jī)多發(fā)故障點(diǎn)之一。

拉緊裝置：膠帶在運(yùn)行的時候不像齒輪一樣利用齒輪的咬合力來進(jìn)行物料的運(yùn)輸，而是利用膠帶與軸承之間的摩擦力，保障膠帶的正常運(yùn)行，這種摩擦力就是利用拉緊裝置將膠帶張緊的。

通過上述論述能夠得出，膠帶機(jī)工作原理就是利用托輥支撐膠帶機(jī)上下段的膠帶，然后由特定的拉緊裝置使膠帶拉緊，防止膠帶因?yàn)檫\(yùn)輸重物導(dǎo)致的寬松、塌陷、攪帶等問題。

1.2 膠帶機(jī)常見故障

由于膠帶機(jī)特殊的工作環(huán)境和工作特點(diǎn)，發(fā)生的故障也有很多種，主要有膠帶的斷帶、打滑、跑偏，主要故障發(fā)生在膠帶、電機(jī)、軸承等部位。因?yàn)檩d重過高或者非平穩(wěn)運(yùn)行導(dǎo)致膠帶的縱向撕裂、堆煤；電機(jī)或者膠帶的長時間運(yùn)行，摩擦力加大，最終導(dǎo)致火災(zāi)等事故。

膠帶打滑：膠帶上的貨物運(yùn)輸主要依靠膠帶上的摩擦力來保證膠帶不會因?yàn)榇蚧鵁o法運(yùn)行。膠帶機(jī)打滑是目前膠帶最常見的故障之一，將會導(dǎo)致物料輸送機(jī)在滾動軸承正常運(yùn)行的條件下無法正常運(yùn)輸物料。

膠帶跑偏：膠帶在工作的過程中可能會因?yàn)榻o料不正、膠帶老化、設(shè)備磨損的原因造成膠帶機(jī)跑偏故障?；镜脑硪?yàn)槟z帶機(jī)的突然非平穩(wěn)運(yùn)動，大物料量的積壓最終導(dǎo)致膠帶中心線偏離膠帶機(jī)中心線，此時的滾軸滾動就會進(jìn)一步的帶動膠帶的偏移，發(fā)生跑偏事故。如果情節(jié)較輕，無跑偏事故的發(fā)生則會引起膠帶和托輥磨損，進(jìn)一步的長時間運(yùn)行則會降低設(shè)備使用壽命，當(dāng)膠帶跑偏一定的程度造成跑偏量過大，則會導(dǎo)致膠帶翻邊，發(fā)生安全事故。

膠帶縱撕：膠帶縱撕是因?yàn)檫\(yùn)送的貨物里有鋒利的雜物或者其它物品將膠帶割裂，是膠帶輸送機(jī)中較為嚴(yán)重的事故。因?yàn)槟z帶是價格比較昂貴的部件，一旦出現(xiàn)撕裂問題就會導(dǎo)致整條膠帶報廢，還很可能發(fā)生嚴(yán)重的安全事故，威脅人身安全，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

膠帶火災(zāi)事故：膠帶機(jī)可能會因?yàn)殚L時間的運(yùn)行導(dǎo)致設(shè)備局部過熱，引起火災(zāi)的發(fā)生，如果有了火源則更可能會引爆井內(nèi)瓦斯，造成系統(tǒng)性的、嚴(yán)重的礦難災(zāi)害。造成膠帶機(jī)火災(zāi)的因素較多，一般有設(shè)備長時間運(yùn)行，軸承、滾筒等設(shè)備局部溫度過高，監(jiān)控測點(diǎn)失靈無法報警等。

膠帶輸送機(jī)屬于大型機(jī)械設(shè)備，設(shè)備元件復(fù)雜，控制較為簡單。但是常常會因?yàn)槟z帶老化、使用環(huán)境惡劣等造成經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備故障，嚴(yán)重的會發(fā)生爆炸和火災(zāi)等問題。所以，不論是什么樣的設(shè)備問題，一旦出現(xiàn)都會造成生產(chǎn)問題，應(yīng)該針對故障提前識別、預(yù)知、處理。

2 膠帶機(jī)智能故障診斷方式

2.1 研究方法

故障診斷具有內(nèi)容多、范圍寬的學(xué)科特性，它在使用的時候不但要結(jié)合現(xiàn)代控制理論、設(shè)備生產(chǎn)過程、智能控制理論，還需要結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、信號遠(yuǎn)傳技術(shù)、分析技術(shù)等多種技術(shù)控制手段，同時也結(jié)合了數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)科、數(shù)學(xué)智能算法理論等。為了更好地對診斷方法進(jìn)行研究，部分學(xué)者還專門設(shè)計(jì)模擬軟件，建立設(shè)備故障診斷模型，形成了新的研究課題和研究體系。雖然存在多種理論的故障診斷方法體系，但是根據(jù)不同的設(shè)備工作特點(diǎn)和工作方式的不同，需要采用不同的故障診斷方法論。對于設(shè)備的故障和研究應(yīng)該從設(shè)備的實(shí)際出發(fā)，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)和設(shè)備的運(yùn)行方式，采用不同的診斷方式，以理論結(jié)合實(shí)際的方式，因物制宜實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的診斷。

2.2 基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法

專家系統(tǒng)實(shí)質(zhì)就是一個類似于人腦思維、工作和推理的過程，將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)填寫在系統(tǒng)中，然后通過知識庫調(diào)取相似的問題處理方法，通過推理機(jī)利用分析推理，最終獲得比較可靠的推理結(jié)果。在設(shè)備使用中專家系統(tǒng)智能故障診斷方法應(yīng)用非常廣泛，也得到了眾多用戶的好評，是目前為止使用最為成功理論方法之一，專家系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 專家系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the expert system

2.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由不同的處理節(jié)點(diǎn)、處理區(qū)域組合而來的，是一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征，對故障信息進(jìn)行分布式處理的算法。該診斷方法具有聯(lián)想記憶、自我處理、自我學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，并且還能夠進(jìn)行自組織，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較強(qiáng)的容錯能力等。這種較強(qiáng)的思維能力，可以實(shí)現(xiàn)一些信息無法正常表達(dá)、數(shù)據(jù)搜集缺失及比較復(fù)雜的信息處理，可以對信息作出合理的推測和判斷，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

2.4 基于信息融合和模糊邏輯的故障診斷方法

模糊邏輯是將設(shè)備運(yùn)行時視為一種模糊狀態(tài)，進(jìn)而認(rèn)為發(fā)生故障的設(shè)備也是模糊征兆的，主要利用這種模糊信號對設(shè)備的模糊狀態(tài)進(jìn)行識別，識別的過程中還會對故障進(jìn)行推理，然后通過推理出的故障作出決策，最終確定故障原因。

在設(shè)備的不同部位安裝不同類型的傳感器，并且實(shí)現(xiàn)多種信號使用一個傳感器，實(shí)現(xiàn)檢測信息的多元傳感融合技術(shù)；實(shí)現(xiàn)設(shè)備全方位、多角度監(jiān)測，可以實(shí)時了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息之后對信息預(yù)處理，采用信息融合、診斷等方式對其進(jìn)行再處理，準(zhǔn)確預(yù)防設(shè)備故障。目前應(yīng)用較新的信息融合技術(shù)多采用快速傅立葉變換、小波變換等方法對獲得的信息進(jìn)行補(bǔ)充，完善了信息處理能力，同時也彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法信息分析不精確的不足，提高故障診斷可靠性。信息融合技術(shù)還與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊邏輯方法、多信息融合技術(shù)等多種故障分析方法融合，做到取長補(bǔ)短、自我更新，提高了設(shè)備運(yùn)行的智能化，是未來故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3 煤礦膠帶輸送機(jī)原故障診斷系統(tǒng)分析

3.1 監(jiān)測診斷系統(tǒng)

石圪臺煤礦膠帶輸送機(jī)軸承監(jiān)測診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 膠帶輸送機(jī)軸承監(jiān)測診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.2 Design scheme of belt conveyor bearing monitoring and diagnosis system

各模塊的主要功能如下：

參數(shù)設(shè)置功能模塊：該模塊主要設(shè)置診斷系統(tǒng)的報警值上限和下限參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)的設(shè)定值高于或者低于該值的時候，系統(tǒng)就會出現(xiàn)報警，起到警示水平設(shè)定的作用。

圖形化總體監(jiān)測模塊：該模塊主要是將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)視圖化，能夠更好地通過視覺效果來監(jiān)控軸承溫度和振動的大小，將監(jiān)測的結(jié)果模塊化、集中化顯示，并且能夠集中的體現(xiàn)不同部位、不同監(jiān)測結(jié)果的值以及報警狀態(tài)等。

報表查詢模塊：該模塊除了具有一定的查詢作用之外，還能夠起到記錄的作用，能夠有效地記錄輸送機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)，通過表格的形式得到一定時期內(nèi)軸承振動與溫度，并且通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)獲得設(shè)備參數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)。

報警查詢模塊：可以通過查詢模塊獲得設(shè)備運(yùn)行的報警值和最大檢測值及最優(yōu)的設(shè)備運(yùn)行信號。

歷史趨勢分析模塊：通過歷史查詢和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，可以獲得一定時期內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的變化趨勢，以及設(shè)備在運(yùn)動過程中的溫度和振動變化情況，得出運(yùn)行趨勢的分析。

實(shí)時顯示模塊：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行單元的模塊化顯示，可以將軸承、測點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，如軸承振動的幅度和溫度形象等在設(shè)備模型中顯示出來，獲得直觀的設(shè)備監(jiān)控。

診斷報告模塊：通過軟件的處理，可以將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過數(shù)據(jù)處理、整合得出數(shù)據(jù)的運(yùn)行參數(shù)變化，最終能夠得出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)報告。

在線操作幫助模塊：提供專業(yè)知識庫與各功能模塊使用幫助。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)監(jiān)控、信息傳輸與故障診斷等多功能，以保證能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測到設(shè)備的基本狀況。所以，故障診斷系統(tǒng)應(yīng)該包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控服務(wù)器、故障診斷等部分。數(shù)據(jù)采集的主要信息有設(shè)備的溫度、壓力、運(yùn)行過程的振動加速度等，通過傳感器檢測設(shè)備軸承的信號。利用礦本安振動監(jiān)測分析儀對振動信號和溫度進(jìn)行處理，得出初步的設(shè)備信息，然后再經(jīng)過系統(tǒng)診斷的相關(guān)算法進(jìn)行信號加工處理，處理之后的參數(shù)分析結(jié)果(溫度、壓力和振動幅度等)信號傳送到環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，之后再利用以太網(wǎng)把信息數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。如果設(shè)備出現(xiàn)了工作人員無法處理的故障，可以通過Web發(fā)布數(shù)據(jù)設(shè)備，在線監(jiān)測與故障診斷等實(shí)現(xiàn)與專家的遠(yuǎn)程處理，得到專家的診斷幫助。圖3為整個檢測系統(tǒng)對10個大型設(shè)備進(jìn)行的安全性能檢測，不同的子系統(tǒng)將檢測信號傳輸?shù)浇粨Q機(jī)中，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫的設(shè)備信息參數(shù)進(jìn)行綜合診斷，然后從局部的系統(tǒng)性能到整體性能進(jìn)行判斷，最終得出整個設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律和狀態(tài)，準(zhǔn)確地找出設(shè)備運(yùn)行的故障點(diǎn)等。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)整體框架Fig.3 The overall framework of the monitoring system

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了石圪臺煤礦在線故障診斷系統(tǒng)，以不同部位傳感器測點(diǎn)為基礎(chǔ)，同時配置不同的儀器；功能上設(shè)置在線監(jiān)控功能、實(shí)時查詢功能、信息統(tǒng)計(jì)功能等，硬件上以穩(wěn)定、安全為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)膠帶機(jī)的在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的在線監(jiān)控，保證數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的真實(shí)性、穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)膠帶機(jī)溫度、壓力、震蕩等信號的高精度監(jiān)控。