故障智能診斷技術(shù)在亭南煤礦選煤廠的應(yīng)用

戰(zhàn)仕發(fā)，楊 強(qiáng)，蔡道勇，周生朋

（1.陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西咸陽 713600；2.山東科大機(jī)電科技股份有限公司，山東濟(jì)寧 272000）

0 引言

亭南煤礦選煤廠工藝復(fù)雜，洗選設(shè)備較多。雖然實(shí)現(xiàn)了集中遠(yuǎn)程控制，但在設(shè)備運(yùn)維方面，主要采用人工巡檢方式對(duì)洗選設(shè)備進(jìn)行定期的點(diǎn)檢、維修和保養(yǎng)，其巡檢周期比較長(zhǎng)，工作人員不能及時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并處理故障。而膠帶機(jī)、分級(jí)篩、破碎機(jī)、離心機(jī)、水泵等設(shè)備是選煤廠生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備群，一旦發(fā)生故障且處理不及時(shí)，造成的危害及損失是巨大的。

因此，針對(duì)亭南煤礦選煤廠設(shè)備運(yùn)維管理方面存在的問題，建設(shè)設(shè)備振動(dòng)和溫度在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)采集洗選設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立基于多源參數(shù)融合分析的設(shè)備智能診斷模型，將專家診斷與智能診斷相結(jié)合，解決設(shè)備故障診斷面臨的底層數(shù)據(jù)缺失、故障樣本少、專業(yè)技術(shù)人員缺乏等問題，減少選煤廠設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)，降低維修成本，提高生產(chǎn)效率。

1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備的故障診斷技術(shù)中，振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛、最成熟的一種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)[1]，可以對(duì)電機(jī)、減速機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的常見故障（如軸承、齒輪、電機(jī)缺相、斷條、葉輪以及軸系故障等）進(jìn)行有效的故障診斷。溫度也是最直觀表現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的有效參數(shù)。因此，亭南煤礦選煤廠以振動(dòng)和溫度監(jiān)測(cè)為主要技術(shù)手段，建設(shè)針對(duì)洗選設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，傳感器的安裝方向?qū)收享憫?yīng)有一定的影響[2]。其中，水平方向?qū)λ械墓收暇幸欢ǖ捻憫?yīng)，垂直方向?qū)A(chǔ)類松動(dòng)故障有較好的響應(yīng)。軸向?qū)Τ惺茌S向力的部件故障有較好的響應(yīng)。因此系統(tǒng)采用3 軸振動(dòng)加速度和溫度一體式無線傳感器[3-4]，對(duì)設(shè)備的軸承部位進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以減少現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器的數(shù)量，方便維護(hù)。

2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)選煤廠設(shè)備種類多、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，采用3 軸振動(dòng)和溫度一體式的復(fù)合傳感器，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，整個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為3 個(gè)層級(jí)。第一層為傳感器層：將3 軸振動(dòng)和溫度一體式無線傳感器安裝在軸承部位，定時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括動(dòng)態(tài)波形數(shù)據(jù)、有效值、溫度等；其中，動(dòng)態(tài)波形數(shù)據(jù)可以用于對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行精確定位；第二層為數(shù)據(jù)傳輸層：現(xiàn)場(chǎng)安裝的終端箱，通過2.4 GHz 的無線高頻信號(hào)接收傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)，避免現(xiàn)場(chǎng)無線信號(hào)（如變頻器等）對(duì)采集信號(hào)的傳輸干擾，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)電設(shè)備造成干擾；同時(shí)具有WiFi、網(wǎng)線、5G 等方式向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，滿足現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境下的信號(hào)傳輸需求；第三層為服務(wù)層：通過數(shù)據(jù)分析對(duì)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、建模、挖掘、分析，包含設(shè)備管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、專家診斷、智能診斷等服務(wù)；為用戶提供多種服務(wù)接入方式，用戶可以通過App、Web 客戶端訪問系統(tǒng)，通過終端App 可以實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的需求，提高維護(hù)工作的便捷性及效率。同時(shí)，為保證系統(tǒng)能對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)支持在線修改數(shù)據(jù)采集頻率，最短1 min 采集一次數(shù)據(jù)；并可以對(duì)傳感器的振動(dòng)采樣參數(shù)（如采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)）進(jìn)行修改。

3 設(shè)備故障智能診斷機(jī)理

為了減少系統(tǒng)對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的依賴程度，故障診斷軟件具有智能診斷功能，通過設(shè)備在線機(jī)理建模，將人工診斷的判斷方法轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)判定規(guī)則，并根據(jù)設(shè)備工況的不同，設(shè)置不同的判定規(guī)則，總計(jì)形成3000 多種故障判定規(guī)則；同時(shí)為了不斷提高系統(tǒng)的故障診斷準(zhǔn)確率，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生的設(shè)備故障，收錄到故障診斷數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷豐富和優(yōu)化判定規(guī)則。智能診斷流程如圖2 和圖3 所示。

圖2 觸發(fā)系統(tǒng)智能診斷流程

圖3 齒輪箱故障智能診斷流程

由圖2 可知，對(duì)于在線監(jiān)測(cè)故障系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)量過大會(huì)增加服務(wù)器計(jì)算壓力，不宜對(duì)所有數(shù)據(jù)均進(jìn)行智能診斷，需要對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)置觸發(fā)條件，觸發(fā)條件有2 個(gè)：一是對(duì)產(chǎn)生告警的數(shù)據(jù)；二是對(duì)趨勢(shì)發(fā)生變化的參數(shù)；2 個(gè)條件為或關(guān)系，均可以獨(dú)立觸發(fā)智能診斷。以齒輪箱為例，智能診斷流程如圖3 所示。

齒輪箱的主要旋轉(zhuǎn)部件包括軸承、齒輪主軸以及齒輪，因此其故障類型包括軸承故障、齒輪故障以及軸系故障。對(duì)于齒輪箱的智能診斷，需要注意以下4 點(diǎn)：①對(duì)于齒輪箱的主要3 種故障，用振動(dòng)加速度和振動(dòng)速度的進(jìn)行綜合判斷；②對(duì)于故障的最終判斷，除了需要振動(dòng)信號(hào)，還需要結(jié)合設(shè)備的工藝量信號(hào)進(jìn)行判斷；工藝量信號(hào)對(duì)于故障診斷的準(zhǔn)確度和運(yùn)維建議具有非常大的參考價(jià)值；③對(duì)于已經(jīng)確定的故障，不斷補(bǔ)充進(jìn)故障數(shù)據(jù)庫中，利用智能學(xué)習(xí)算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷豐富故障判定規(guī)則，以提高故障診斷準(zhǔn)確率；④系統(tǒng)會(huì)根據(jù)故障診斷結(jié)果和工藝量變化，出具相應(yīng)的故障診斷報(bào)告，并提供相應(yīng)的運(yùn)維建議。

4 應(yīng)用案例

故障智能診斷系統(tǒng)自2022 年11 月安裝完成后，發(fā)現(xiàn)3214 合介泵振動(dòng)異常報(bào)警，觸發(fā)故障智能診斷機(jī)制。合介泵的結(jié)構(gòu)和傳感器的安裝位置如圖4所示。

圖4 合介泵監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置

該合介泵由電機(jī)、多級(jí)離心泵體等部件組成。其中，電機(jī)為4 極電機(jī)，型號(hào)為315M-4，功率為132 kW，電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承型號(hào)為6319-SKF，其故障特征頻率如表1 所示。多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)速為1485 r/min。系統(tǒng)智能診斷報(bào)告如圖5 所示，診斷結(jié)論為軸承外圈故障；其時(shí)頻域波形和包絡(luò)解調(diào)譜如圖6 所示，時(shí)域波形可見明顯沖擊特征，對(duì)其包絡(luò)解調(diào)，包絡(luò)頻譜中顯示的主要頻率為76 Hz、152 Hz、231 Hz，與6319 軸承的外圈故障特征頻率76.73 Hz 及其2～3×諧頻相近，因此判定該軸承存在外圈故障。圖7 顯示電機(jī)拆機(jī)結(jié)果，顯示該軸承外圈具有明顯的外圈滾道剝落故障，現(xiàn)場(chǎng)檢修結(jié)果驗(yàn)證了故障智能診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

表1 6319-SKF 軸承故障特征頻率表

圖5 故障智能診斷報(bào)告結(jié)論

圖6 時(shí)域波形和包絡(luò)解調(diào)譜

圖7 設(shè)備拆解圖片

5 結(jié)束語

選煤廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，采用3 軸振動(dòng)加速度和溫度一體式無線傳感器采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以真實(shí)反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可以降低現(xiàn)場(chǎng)的施工和系統(tǒng)維護(hù)難度；其次，在系統(tǒng)中對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行機(jī)理建模，包括設(shè)備的軸承型號(hào)、轉(zhuǎn)速、齒輪齒數(shù)等設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為智能診斷系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；最后，故障診斷軟件對(duì)由告警觸發(fā)的設(shè)備進(jìn)行智能診斷，可以準(zhǔn)確定位設(shè)備的故障，并提供相應(yīng)的故障診斷結(jié)論和運(yùn)維建議，降低對(duì)專業(yè)技術(shù)人才的依賴，保證生產(chǎn)的高效運(yùn)行。