基于TRIZ的礦井提升機(jī)主軸軸承微弱故障特征檢測

摘" 要：礦山開采過程中，由于礦井提升機(jī)所處環(huán)境惡劣和設(shè)備本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致其故障診斷的難度較大。針對傳統(tǒng)方法對礦山設(shè)備主軸微弱故障特征檢測能力不足這一缺點(diǎn)，引入TRIZ理論，從最終理想解、系統(tǒng)功能分析、因果分析和九屏幕法分析等各個維度對微弱故障特征難以檢測的問題進(jìn)行分析，最終得到3個理想解方案，這些方案不僅可以得到精確檢測的主軸軸承微弱故障特征，而且極大地保障提升機(jī)礦業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；故障診斷；礦山設(shè)備；主軸軸承；經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號：TH133.331" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）15-0134-06

Abstract： In the process of mining， due to the bad environment of the mine hoist and the complex structure of the equipment itself， it is difficult to diagnose its fault. In view of the insufficient ability of traditional methods to detect weak fault features of mine equipment spindle， TRIZ theory is introduced to analyze the problem that weak fault features are difficult to detect from various dimensions， such as final ideal solution， system function analysis， causal analysis， nine-screen analysis and so on. Finally， three ideal solutions are obtained， which can not only obtain the weak fault characteristics of spindle bearings detected accurately， but can also greatly protect the economic benefits and production safety of the hoist mining industry.

Keywords： TRIZ theory; fault diagnosis; mining equipment; spindle bearing; economic benefit

礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，井下大型提升裝備備受關(guān)注，其裝備的功能越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜[1]。作為礦山提升設(shè)備的關(guān)鍵零部件之一，主軸軸承長期在低溫、潮濕等環(huán)境下運(yùn)行，導(dǎo)致故障頻發(fā)，且微弱故障特征難以檢測，其安全隱患和安全事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于地面正常條件下運(yùn)行的設(shè)備，這一問題給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。礦井提升設(shè)備的狀態(tài)信號處理和典型故障的特征提取一直是其故障診斷研究的核心內(nèi)容[2-4]。然而應(yīng)用于礦井提升機(jī)主軸軸承故障診斷的傳統(tǒng)信號處理方法多是建立在研究對象具有明顯故障特征的前提下[5-6]，對于非平穩(wěn)非線性、復(fù)雜性高的微弱特征信號效果不理想，因此急需一種新方法來解決此問題。

TRIZ在1946年被Altshuller提出，其是一種以發(fā)明問題為戰(zhàn)略導(dǎo)向的方式來進(jìn)一步解決問題的方法[7]。經(jīng)過Altshuller的大量研究，創(chuàng)造了39個工程參數(shù)、40個創(chuàng)造性原則和矛盾矩陣等[8-9]。TRIZ在各行各業(yè)被廣泛應(yīng)用[10-12]，比如在服務(wù)[13]、綠色供應(yīng)鏈[14]和可持續(xù)創(chuàng)新[15]。TRIZ具有創(chuàng)新解決問題的巨大潛力，因此，針對礦井提升機(jī)主軸軸承的微弱故障特征檢測中存在的不足，利用TRIZ方法的優(yōu)勢，從最終理想解、系統(tǒng)功能分析、因果分析和九屏幕法分析等各個維度對微弱故障特征難以檢測的問題進(jìn)行分析，共得到26個細(xì)則方案，通過對比分析各個方案成本、實(shí)用價值等因素，最終獲得滿足質(zhì)量要求的檢測方案。

1" 問題背景及系統(tǒng)描述

1.1" 問題背景

礦山提升設(shè)備是采礦業(yè)常用的，也是非常重要的設(shè)備，是整個采礦業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，由于主軸軸承內(nèi)部組成十分復(fù)雜且長期運(yùn)行在惡劣的環(huán)境下，發(fā)生故障后故障信號極易被淹沒在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，造成微弱故障難以提取的問題。

1.2" 規(guī)范化表述技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

技術(shù)系統(tǒng)（S）：軸承故障診斷系統(tǒng)。施加動作（V）：檢測。作用對象（O）：礦井提升機(jī)主軸裝置軸承。作用對象的參數(shù)（P）：微弱故障特征。因此，本技術(shù)系統(tǒng)的功能可以表達(dá)為：軸承故障診斷系統(tǒng)檢測礦井提升機(jī)主軸軸承的微弱故障特征。

1.3" 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

現(xiàn)有企業(yè)針對提升機(jī)主軸裝置的故障診斷是通過定期檢測和事后維護(hù)，定期檢測通常是每隔一段時間對提升機(jī)進(jìn)行停機(jī)，并對其進(jìn)行拆機(jī)檢測，檢測各部位是否出現(xiàn)了故障，這樣不僅容易造成二次傷害，而且會加快礦井提升機(jī)故障產(chǎn)生，更加不利于礦井提升機(jī)的安全維護(hù)，造成企業(yè)生產(chǎn)效率下降。而事后維護(hù)的方法往往是礦井提升機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重故障后，更換存在嚴(yán)重故障部件，該方法對降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失和實(shí)際生產(chǎn)效率意義不大。

1.4" 礦山提升設(shè)備軸承出現(xiàn)故障的時間與條件

礦山提升設(shè)備軸承出現(xiàn)故障的時間分為4個階段。正常階段：主軸裝置軸承各部件幾乎無損傷，主要是定期拆機(jī)檢測，易對設(shè)備造成二次傷害。損傷初始階段：長時間沖擊載荷的作用下，軸承開始形成微弱損傷，異常振動產(chǎn)生，此時，定期拆機(jī)檢測難以發(fā)現(xiàn)微弱故障，也易造成設(shè)備的二次傷害。缺陷形成階段：由于缺陷存在，主軸軸承各部件存在明顯的損傷點(diǎn)，此時定期拆機(jī)檢測可發(fā)現(xiàn)缺陷，但易造成二次傷害，企業(yè)生產(chǎn)效率受到影響，目前常規(guī)的一些故障診斷方法也往往被用于此階段的診斷。最終損壞階段：提升機(jī)主軸承出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷，易出現(xiàn)重大安全生產(chǎn)事故，企業(yè)生產(chǎn)效率嚴(yán)重下降，達(dá)到事后維護(hù)程度，但此時維修對保證企業(yè)的安全生產(chǎn)無顯著價值和意義。

本次問題主要針對如何提高礦井提升設(shè)備故障診斷能力進(jìn)行展開。通過以上分析，提升軸承故障診斷準(zhǔn)確性尤為重要，對于軸承故障診斷方法還有待提升，于是利用TRIZ創(chuàng)新方法對其進(jìn)行分析改善。對新系統(tǒng)的要求：能夠快速、有效地檢測提升機(jī)主軸的微弱故障，對于提升機(jī)主軸軸承故障進(jìn)行有效的診斷。

2" 問題分析

針對礦井提升設(shè)備主軸軸承微弱故障特征難以檢測的問題，利用TRIZ的創(chuàng)新理論從創(chuàng)新思維分析、系統(tǒng)功能分析、因果系統(tǒng)分析和系統(tǒng)裁剪等維度對問題進(jìn)行分析，尋找最優(yōu)的解決方案。

2.1" 創(chuàng)新思維分析

2.1.1" 最終理想解IFR

在TRIZ理論中，首先要了解設(shè)計(jì)的最終目的，也就是產(chǎn)品服務(wù)的最終功能，拋開各種客觀限制條件，從功能的角度出發(fā)，避免不必要的投入，尋求最優(yōu)解。這種尋求最優(yōu)技術(shù)系統(tǒng)向著最理想化發(fā)展方向的過程稱為最終理想解[16]。

為了大幅度提高礦山提升設(shè)備的故障檢測能力和診斷技術(shù)，保證局部故障診斷不漏檢，最終理想解是結(jié)合工程中非平穩(wěn)信號的特點(diǎn)，以及同步提取變換在信號處理方面的優(yōu)勢，構(gòu)造出一種新穎的故障診斷方法，以保證能檢測微弱故障。IFR具體分析過程見表1。

同時得到如下概念方案。

方案1：設(shè)置濾波器裝置，把信號噪聲分離。

方案2：小波包對主軸軸承降噪分解，互信息、峭度指標(biāo)去除冗余信號分量，同步提取變換提取軸承故障特征。

方案3：提高軸承的制造精度，有效的壽命時間內(nèi)不發(fā)生故障。

方案4：先進(jìn)的智能診斷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時故障檢測。

2.1.2" 九屏幕法

九屏幕法是TRIZ中典型的“系統(tǒng)思維”方法，其包含2個坐標(biāo)軸線，橫軸為時間，通常為過去、現(xiàn)在和未來?？v軸為系統(tǒng)層次，分為子系統(tǒng)、系統(tǒng)和超系統(tǒng)。該方法可以通過從不同時間節(jié)點(diǎn)上分析系統(tǒng)組件上的可利用資源，以達(dá)到解決問題的目的。九屏幕法分析如圖1所示。

由圖1可得到如下方案。

方案5：運(yùn)用物質(zhì)資源產(chǎn)生新的概念方案，即使用智能感知的方式進(jìn)行監(jiān)測軸承。

方案6：運(yùn)用信息資源產(chǎn)生新的概念方案，即單一同步提取變換故障診斷方法，對主軸承振動信號進(jìn)行處理。

方案7：運(yùn)用信息資源產(chǎn)生新的概念方案，有效的現(xiàn)代信號處理方法來增加對信號的微弱處理能力。

方案8：運(yùn)用時間資源產(chǎn)生新的概念方案，即定期檢測主軸軸承，保證壽命周期內(nèi)不發(fā)生故障。

方案9：運(yùn)用時間資源產(chǎn)生新的概念方案，即服役完成后對其進(jìn)行維修，使其壽命周期更長。

2.1.3" STC算子

STC算子（Size、Time、Cost）是通過極限思考方式想象系統(tǒng)，克服長期由于思維慣性產(chǎn)生的心理障礙，打破思維定勢，擺脫原有思維對系統(tǒng)的認(rèn)知。STC的含義分別是：S尺寸、T時間、C成本，從尺寸、時間和成本3個方面的參數(shù)變化來改變原有的問題。利用STC算子對系統(tǒng)進(jìn)行分析，見表2。

根據(jù)STC對系統(tǒng)分析，產(chǎn)生如下概念方案。

方案10：振動傳感器安裝空間無窮大，產(chǎn)生新的概念方案，振動傳感器可以安裝在任意位置，這時候微弱故障信號成分減少到最少、噪聲成分影響降至最低。

方案11：振動傳感器安裝空間無窮小，產(chǎn)生新的概念方案，傳感器無法安裝，采集不到振動信號，對軸承本身無影響。

方案12：在傳感器采集時間趨近于無窮大時，產(chǎn)生新的概念方案，傳感器無限采集，產(chǎn)生大量振動信號。

方案13：在傳感器采集時間趨近于無窮小時，產(chǎn)生新的概念方案，此時可認(rèn)為傳感器不采集，無法得到振動信號。

方案14：在投資成本無窮大時，產(chǎn)生新的概念方案，即可以增加濾波裝置，使用高精度制作設(shè)備進(jìn)行振動信號采集。

方案15：在投資成本無窮小時，產(chǎn)生新的概念方案，即按照最經(jīng)濟(jì)的方案運(yùn)行，直接對采集到的信號進(jìn)行處理，此時故障出現(xiàn)的概率高。

2.2" 系統(tǒng)資源分析

在TRIZ理論中，資源是一切可被人類開發(fā)和利用的物質(zhì)、能量和信息的總稱。這個概念強(qiáng)調(diào)的是“可開發(fā)和利用”。對資源進(jìn)行合理分類，并以此為基礎(chǔ)加以分析和理解整個技術(shù)系統(tǒng)。資源可分為物質(zhì)資源、場資源、信息資源、時間資源、空間資源和功能資源。根據(jù)資源分析的定義，結(jié)合系統(tǒng)組件分析，對本文中的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，見表3。

2.3" 系統(tǒng)因果分析

因果分析是通過分析造成問題出現(xiàn)的原因，并對原因進(jìn)行層層分析并構(gòu)建因果鏈條，指出事件發(fā)生的原因和導(dǎo)致的結(jié)果的分析方法。通過因果分析，確定本系統(tǒng)中導(dǎo)致問題產(chǎn)生的根本原因：強(qiáng)環(huán)境干擾噪聲和傳統(tǒng)故障特征提取方法或故障診斷系統(tǒng)性能不足。具體分析如圖2所示。

2.4" 系統(tǒng)功能分析

功能是工程研究的核心問題，功能是產(chǎn)品存在的目的。系統(tǒng)功能分析是對技術(shù)系統(tǒng)抽象的“功能”角度來分析系統(tǒng)，確定系統(tǒng)提供或執(zhí)行的主要功能，明確各組件的有用功能及對系統(tǒng)功能的貢獻(xiàn)[17-18]。

2.4.1" 組件分析

根據(jù)礦山提升設(shè)備，首先可以對系統(tǒng)組件建立系統(tǒng)組件列表，見表4。由表4可知組件分為4個部分：主軸裝置、傳感器、采集裝置、計(jì)算機(jī)。其次，進(jìn)行子系統(tǒng)組件分析，主要包括6個部分：內(nèi)外圈、支撐架、滾動體、傳遞軸、齒輪、軸承座。最后，進(jìn)行超系統(tǒng)組件分析，與礦山提升設(shè)備有關(guān)的超組件為：電力、環(huán)境干擾、潤滑油、常規(guī)的故障診斷方法。

2.4.2" 相互作用分析

將上述提到的系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件進(jìn)行相互作用分析，可以得到相互作用矩陣，其判斷依據(jù)為組件相互接觸，并得到兩者間的關(guān)系，畫出功能模型如圖3所示。

通過構(gòu)建系統(tǒng)功能模型圖并進(jìn)行分析，描述系統(tǒng)組件及其之間的相互關(guān)系，確定導(dǎo)致問題存在的功能因素，列舉出系統(tǒng)中存在的所有負(fù)面功能如下。

負(fù)面功能1：主軸裝置與傳感器的監(jiān)測作用——不足作用。

負(fù)面功能2：采集系統(tǒng)與傳感器的傳遞與反饋?zhàn)饔谩蛔阕饔谩?/p>

2.4.3" 系統(tǒng)裁剪

通過開展系統(tǒng)功能分析、因果分析、資源分析，確定問題解決的突破點(diǎn)如下。解決問題突破點(diǎn)1：降低所采集信號的噪聲成分。解決問題突破點(diǎn)2：使用更高精度抗干擾振動傳感器。解決問題突破點(diǎn)3：提升數(shù)據(jù)采集與信號處理研究水平。解決問題突破點(diǎn)4：尋找更有效的故障檢測方法。

針對問題解決突破點(diǎn)，為消除有害功能，降低所采集信號的噪聲成分，優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)理想度。根據(jù)裁剪規(guī)則，分別對系統(tǒng)功能分析圖傳感器、診斷方法以及計(jì)算機(jī)進(jìn)行更換。

具體方案描述如下。

方案16：運(yùn)用裁剪實(shí)施規(guī)則1，裁剪傳感器，更換為高精度非接觸式傳感器。

方案17：運(yùn)用裁剪實(shí)施規(guī)則2，將常規(guī)的故障診斷方法更換為先進(jìn)的信號處理方法。

方案18：運(yùn)用裁剪實(shí)施規(guī)則2，裁剪計(jì)算機(jī)，將計(jì)算機(jī)更換為先進(jìn)的云服務(wù)器。

3" 運(yùn)用TRIZ理論對問題進(jìn)行求解

3.1" 技術(shù)矛盾與發(fā)明原理

根據(jù)因果分析的問題，規(guī)范化表述系統(tǒng)中存在技術(shù)矛盾，如果提高系統(tǒng)的微弱故障信號強(qiáng)度，即改進(jìn)故障模型和信號處理方法會使得缺陷不漏檢，準(zhǔn)確性更高，但可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜度惡化以及成本變高?；诖?，使用工程參數(shù)描述上述的技術(shù)矛盾，對照發(fā)明原理對照表[19]，改善的參數(shù)為NO.33強(qiáng)度，惡化的參數(shù)NO.35系統(tǒng)復(fù)雜性。

從技術(shù)矛盾和發(fā)明原理角度分析，可以得到以下2個概念方案。

方案19：運(yùn)用發(fā)明原理No.33原理，產(chǎn)生新的概念方案，即改變振動傳感器所處位置，更加靠近軸承，減少其他部件產(chǎn)生噪聲干擾。

方案20：運(yùn)用發(fā)明原理No.35原理，產(chǎn)生新的概念方案，使用聲發(fā)射原理，定位軸承故障位置。

3.2" 物理矛盾與空間分離原理

規(guī)范化表述系統(tǒng)中存在的物理矛盾如圖4所示。為了減少采集軸承振動信號的干擾噪聲，要求采集的噪聲成分下降，與此同時，為了增加企業(yè)生產(chǎn)效率，減少遠(yuǎn)距離傳輸帶來的安全隱患，要求提升機(jī)安放在靠近復(fù)雜高噪的生產(chǎn)環(huán)境中。因此，本系統(tǒng)中存在對同一個參數(shù)“作用于物體的有害因素”的互斥要求，即存在物理矛盾。后續(xù)嘗試使用四大分離原理（空間分離、時間分離、系統(tǒng)分離、條件分離）解決系統(tǒng)中存在的物理矛盾[20]。

結(jié)合分離原理，提出如下方案。

方案21：運(yùn)用分割原理，將原系統(tǒng)分為生產(chǎn)區(qū)和運(yùn)輸區(qū)，產(chǎn)生新的概念方案，即將原系統(tǒng)分割，延長傳輸繩。

3.3" 物場模型

在系統(tǒng)中，2個物體間的作用都可用2個物質(zhì)（對象物質(zhì)S1和工具物質(zhì)S2）和1個基本場的基本模式來描述。在礦山提升設(shè)備主軸系統(tǒng)中，為了降低所采集信號的噪聲成分，構(gòu)建物場模型，如圖5所示。

對以上問題進(jìn)行分析，得到概念方案22：運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1，采用密閉板阻擋環(huán)境噪聲干擾，新的物場模型如圖5右所示。

3.4" 科學(xué)效應(yīng)與知識庫

科學(xué)效應(yīng)庫是在科學(xué)理論的指導(dǎo)下，實(shí)施科學(xué)現(xiàn)象的技術(shù)結(jié)果，即按照定律規(guī)定的原理將輸入量轉(zhuǎn)化為輸出量，以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。針對現(xiàn)有的傳感器收集數(shù)據(jù)較多，故障機(jī)理不清晰等問題，查詢科學(xué)效應(yīng)功能庫，結(jié)合相應(yīng)原理構(gòu)建的概念方案如下。

方案23：查詢功能庫4分解，產(chǎn)生新的概念方案，即可以使用分割原理，把軸承分割成不同部分，進(jìn)而分別研究缺陷。

方案24：查詢功能庫35振動，產(chǎn)生新的概念方案，即使用諧波振動器檢測軸承的缺陷。

方案25：查詢屬性庫8頻率，產(chǎn)生新的概念方案，即使用多普勒振動計(jì)，通過非接觸式測量物體表面的振幅和頻率。

方案26：查詢屬性庫19位置，產(chǎn)生新的概念方案，即使用反射原理，在軸承表面涂抹發(fā)光材料，根據(jù)反射光定位故障位置。

綜合考慮成本、難易、可靠等多個維度，最終采納由“方案2，方案4，方案20”所組成的綜合方案。該方案不僅可以得到精確表示的主軸軸承微弱故障特征，也可以避免傳統(tǒng)方法如定期停機(jī)檢測對礦井提升機(jī)造成二次損害的問題，還可避免礦井提升機(jī)因故障產(chǎn)生安全事故的問題，極大地保障了礦業(yè)提升機(jī)生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

4" 結(jié)論

本文將TRIZ創(chuàng)新體系運(yùn)用到礦山提升設(shè)備主軸的故障診斷中，通過對軸承的分析以及現(xiàn)有的故障診斷方法，將問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，實(shí)現(xiàn)了將問題便于理想解并優(yōu)化了解決方案。該方案通過對主軸故障診斷的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有故障診斷過程中微弱故障難以檢測的問題，優(yōu)化了故障診斷的檢測時間與方式，大大降低了故障診斷檢測成本。

通過TRIZ的分析，確定的綜合方案極大地改善了傳統(tǒng)故障診斷方式，為礦山提升設(shè)備的正常運(yùn)作奠定了基礎(chǔ)，也為礦山開采設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性以及可靠性提供了有力幫助。

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