煤礦機(jī)械故障監(jiān)測診斷研究

摘要：隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，機(jī)械裝備在各領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。盡管設(shè)備的可靠性在不斷提高和完善，但是，調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外由于機(jī)械設(shè)備引起的災(zāi)難性事故還是頻頻出現(xiàn)，為此，越來越多的人開始重視機(jī)械設(shè)備在可靠性、可用性、可維修性、經(jīng)濟(jì)性及安全性方面的強(qiáng)化。文章以幾個(gè)典型機(jī)械設(shè)備的故障檢測為例，對其進(jìn)行了介紹和分析，以便為煤礦機(jī)械故障監(jiān)測領(lǐng)域的完善和發(fā)展提供有力保障。

關(guān)鍵詞：煤礦機(jī)械;故障監(jiān)測;故障診斷;設(shè)備維修;機(jī)械設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號：TD42 文章編號：1009-2374（2015）02-0091-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0143

1 概述

就煤礦機(jī)械維修方式的發(fā)展過程來說，經(jīng)歷了事后維修、預(yù)防性維修、預(yù)知性維修和主動(dòng)預(yù)防性維修這幾個(gè)由“事后維修”到“預(yù)知維修”重要環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)變。并且總結(jié)研究得出，前段部分的維修并不是計(jì)劃好的、有目的的維修，所以也就并不能真正地取得多大的效果，并且還會(huì)給生產(chǎn)帶來一些不必要的損失。而后一部分維修要想取得成果，就必須保證具備充足、完善的預(yù)知和預(yù)測未來的技術(shù)。這時(shí)，就誕生了現(xiàn)如今的狀態(tài)監(jiān)測和故障監(jiān)測診斷技術(shù)。該技術(shù)的實(shí)施過程和功能主要是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)械設(shè)備上建立狀態(tài)監(jiān)測點(diǎn)，采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行分析、診斷，避免出現(xiàn)維修過剩或被迫停機(jī)現(xiàn)象。

2 采掘機(jī)械的故障監(jiān)測診斷

2.1 狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)分析

通過狀態(tài)監(jiān)測的運(yùn)用可以更為及時(shí)、全面地了解和掌握到機(jī)器早期失效的一些相關(guān)信息。就井下電牽引采煤機(jī)而言，主要包括采煤機(jī)控制系統(tǒng)、采高傳感器、通訊工控機(jī)、安全生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心主機(jī)等幾部分。其中，在某采煤機(jī)故障診斷系統(tǒng)中，很多相關(guān)的參數(shù)和數(shù)據(jù)（牽引速度、牽引電機(jī)各參數(shù)、截割電機(jī)的電流和故障等）都是由PLC控制器和牽引變頻器采集得到的。滾筒升降、采機(jī)左右行、故障等數(shù)據(jù)的采集則可以通過2個(gè)搖臂電機(jī)同軸安裝2個(gè)角度傳感器來得到。就角度傳感器來說，它主要是用來將兩搖臂的角度信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓信號的。首先，該信號在數(shù)據(jù)采集卡的使用下，與控制器聯(lián)系到一起，于是便能夠準(zhǔn)確得到兩搖臂的角度，為左右滾筒中心位置提供有力保障。其次，該信號將到達(dá)通訊工控機(jī)并被完整地接收和保存下來，在該過程中還要經(jīng)歷監(jiān)控中心主機(jī)對送入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并完成顯示的過程。最后，在全面獲得和掌握這些運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，要及時(shí)對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，在數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為知識(shí)庫所使用。通過對采煤機(jī)狀態(tài)的掌握和分析，可以為故障的確定提供條件。另外，確定出來的故障要經(jīng)故障評價(jià)系統(tǒng)送人機(jī)界面并反饋系統(tǒng)，制定經(jīng)濟(jì)有效的維修方案。

2.2 采掘機(jī)械常用的狀態(tài)監(jiān)測方法

2.2.1 振動(dòng)檢測法。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)工作過程中，一旦機(jī)器內(nèi)部不能正常運(yùn)行的話，就會(huì)造成整個(gè)過程都出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)現(xiàn)象。此時(shí)就要進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測措施，該措施主要是應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備及振動(dòng)技術(shù)取得機(jī)器的振動(dòng)頻譜來分析機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的過程。通過運(yùn)動(dòng)測量的實(shí)施，可以得到更為全面和準(zhǔn)確的相關(guān)參數(shù)（速度、位移、相位等）。并在進(jìn)一步分析、研究這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，了解到設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，以便為設(shè)備故障的尋找奠定基礎(chǔ)。將出現(xiàn)故障的地方與正常情況下的特性進(jìn)行比較，就可以準(zhǔn)確地對機(jī)器的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷和預(yù)測。而只有在嚴(yán)格對比測量數(shù)據(jù)與判斷標(biāo)準(zhǔn)的前提下，才能真正判斷出機(jī)器的工作情況。

就判斷標(biāo)準(zhǔn)而言，包括絕對判斷標(biāo)準(zhǔn)和相對判斷標(biāo)準(zhǔn)兩種方式。其中，相對判斷標(biāo)準(zhǔn)的對象是同一個(gè)部位、不同時(shí)間的比較，而絕對判斷標(biāo)準(zhǔn)的對象則包括機(jī)器全部的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。具體的做法，以采煤機(jī)牽引電機(jī)軸承出現(xiàn)故障的情況分析來說，它主要通過處理振動(dòng)信號和頻譜圖來找出具體的故障特征頻段，通過這些頻段的能量值就能發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常、有沒有故障出現(xiàn)。一旦振動(dòng)極值超過參考頻譜的2.5倍的時(shí)候，就表示該機(jī)器需要維修了。

2.2.2 溫度記錄傳感器監(jiān)測法。當(dāng)工作中的設(shè)備出現(xiàn)異常情況（連接松動(dòng)、故障或損壞等）后，就會(huì)使機(jī)器或者是部件的油溫逐漸上升。此時(shí)，使用傳感器與計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)相連接的措施，就可以達(dá)到連續(xù)監(jiān)測機(jī)器溫度的目的了。

2.2.3 油液分析法。該方法的主要依據(jù)是，通過全面診斷和了解油液中的磨損殘留物、泄漏物的具體情況來分析故障的一種措施。另外，由于該法并不是在線分析的，故此還必須要進(jìn)行現(xiàn)場取樣環(huán)節(jié)，然后才能進(jìn)行診斷。換言之，該方式較其他現(xiàn)場分析而言要花費(fèi)更多的時(shí)間。

2.2.4 感應(yīng)電流分析傳感器監(jiān)測法。就感應(yīng)電流分析傳感器來說，它的主要功能是用來探測電機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂情況的。具體的運(yùn)轉(zhuǎn)方式為，通過一種機(jī)器供電電流的使用，來進(jìn)行對高解析頻譜的分析，進(jìn)一步找出轉(zhuǎn)子的不足，并給出相對準(zhǔn)確的頻譜分析圖線，由此，便能更為清楚地了解到機(jī)器轉(zhuǎn)子的狀態(tài)了。

在出現(xiàn)裝配不當(dāng)?shù)那闆r（定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生摩擦或軸承磨損、軸彎曲等）時(shí)，就會(huì)使得電機(jī)轉(zhuǎn)子的靜、動(dòng)氣隙偏離原來的位置，致使沿氣隙圓周方向的磁導(dǎo)不能均勻地分布在該領(lǐng)域中，即氣隙磁場分布不對稱，也就會(huì)出現(xiàn)定子電流異常的現(xiàn)象。就定子和轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系來說，可以用一個(gè)公式來表示，即I1=I2/Ki（Ki為異步電動(dòng)機(jī)的電流變換系數(shù);I1為定子電流;I2為轉(zhuǎn)子電流）。此式向我們清楚地展示了定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)子電流的變化帶動(dòng)定子電流的變化，并且由于它們之間存在著很大的氣隙，所以也有一定的磁阻出現(xiàn)在電流中對其造成一定的影響。如果在頻譜圖中出現(xiàn)氣隙偏心特征頻率的情況時(shí)，要在全面了解和掌握特征頻率分量大小和變化的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確判斷出來轉(zhuǎn)子在氣隙中的動(dòng)態(tài)位移值。換言之就是，當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條、端環(huán)斷裂、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)偏心等一系列的故障時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)在定子電流的頻譜圖上。具體情況是，基頻兩側(cè)將出現(xiàn)一個(gè)邊頻帶，這時(shí)，我們在基頻與邊頻電流幅值的比值基礎(chǔ)上，就能得到準(zhǔn)確的斷裂轉(zhuǎn)子條數(shù)目。

3 軸向柱塞泵松靴故障監(jiān)測與診斷

在液壓系統(tǒng)組成中，液壓泵是其中一個(gè)極為重要的元件，它為液壓系統(tǒng)的運(yùn)用提供了主要的動(dòng)力。為此，一旦該元件出現(xiàn)故障的話，就會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓、無法工作，這就要求我們在進(jìn)行故障診斷的時(shí)候?qū)⒏嗟木蜁r(shí)間用在液壓泵的檢測上。其中，軸向柱塞泵更是在大型機(jī)械設(shè)備中占據(jù)了關(guān)鍵的地位。這些泵在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)的故障有松靴故障、配流盤磨損故障及軸承故障等，這里面又以松靴故障最為普遍。

3.1 振動(dòng)信號的組成和機(jī)理分析

就軸向柱塞泵的振動(dòng)來說，它包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一方面，機(jī)械振動(dòng)主要由柱塞缸體部分旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)大軸承產(chǎn)生的;另一方面，流體振動(dòng)的產(chǎn)生是以柱塞腔的周期性液壓沖擊或者氣穴、吸空為基礎(chǔ)的。其中，液壓沖擊引起的振動(dòng)是軸向柱塞泵振動(dòng)的主要原因。為此，在對軸向柱塞泵進(jìn)行故障診斷的時(shí)候要重點(diǎn)關(guān)注液壓沖擊引起振動(dòng)的基頻（f=nz/60）及其諧波頻率。

另外，伴隨著該故障的發(fā)生，會(huì)使得柱塞球頭與滑靴套之間的間隙增大，也將伴有柱塞腔內(nèi)油液壓力的上升。換言之就是，在液壓沖擊逐漸增加的時(shí)候，還會(huì)使柱塞球頭對滑靴產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊。另外，在該沖擊的影響下還會(huì)帶來殼體的振動(dòng)（附加沖擊振動(dòng)）。其基頻表達(dá)式為f=nz/60，并且在研究附加沖擊振動(dòng)的基礎(chǔ)上，還能得到軸向柱塞泵是否存在松靴故障以及松靴程度等多方面的重要信息。

3.2 振動(dòng)信號監(jiān)測位置的確定

就軸向柱塞泵液壓的振動(dòng)而言，它的發(fā)生可以經(jīng)由三條路徑來達(dá)到。第一條途徑為，柱塞、滑靴、斜盤、變量頭;第二條途徑為，缸體到軸承，再到泵殼體;第三條途徑為，缸體到配流盤，再到泵殼體。其中第一條途徑主要反映的是柱塞吸、排油腔的液壓沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)和滑靴，而第二、三條途徑反映的則是所有軸承和組件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。我們要研究的松靴故障則主要出現(xiàn)在第一條路徑傳送的過程中。由于該故障的附加沖擊振動(dòng)主要是通過第一條途徑而到達(dá)軸向柱塞泵變量頭上去的，為此，該位置就是最佳的檢測部位。

4 設(shè)備裂紋故障監(jiān)測和診斷技術(shù)的應(yīng)用

在煤礦機(jī)械故障診斷領(lǐng)域中，設(shè)備裂紋故障的監(jiān)測和診斷技術(shù)也是極為關(guān)鍵和不容忽視的。下面我們將具體介紹裂紋產(chǎn)生的一些主要原因及傳統(tǒng)的診斷方式，并就該診斷的發(fā)展趨勢和核心技術(shù)進(jìn)行簡要的探討。

4.1 裂紋故障簡介

由于很多的機(jī)器零件都是由金屬材料制成的，它們又是在不一樣的載荷及環(huán)境下進(jìn)行工作的。為此，就會(huì)出現(xiàn)眾多的機(jī)件失效形式（過量彈性變形、過量塑性變形、磨損和斷裂等）。其中，最為嚴(yán)重的就要屬斷裂失效了，該故障直接關(guān)系著安全事故的發(fā)生和經(jīng)濟(jì)的損失。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，斷裂失效的過程是在宏觀裂紋的擴(kuò)展下產(chǎn)生的，該裂紋有可能屬于工藝裂紋（冶金缺陷、鑄造裂紋、鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋和磨削裂紋等）的范疇，也有可能屬于使用裂紋（疲勞裂紋和腐蝕裂紋）的領(lǐng)域。以往在檢測這些裂紋的時(shí)候，我們常使用的方法有觀察法、聽響法、測量法和液壓試驗(yàn)法。

4.2 無損檢測技術(shù)

就無損檢驗(yàn)來說，它要求整個(gè)檢驗(yàn)過程不能對零件、構(gòu)件和材料有絲毫的破壞，要確保它們的形狀、尺寸、成分及性能。通常使用的方法是物理和化學(xué)的措施來對其進(jìn)行缺陷和物理性能的檢測。現(xiàn)如今，我國已經(jīng)投入使用的靜態(tài)裂紋診斷的無損檢測方法包括有超聲波、液體滲透著色、磁粉、射線、渦流、微波和綜合探傷法等。

4.3 設(shè)備裂紋缺陷診斷的現(xiàn)代技術(shù)和發(fā)展趨勢

設(shè)備裂紋監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究對象是那些在工作中相對來說較為復(fù)雜并且也非常關(guān)鍵的設(shè)備，另外，該技術(shù)的應(yīng)用必須建立在高新技術(shù)的基礎(chǔ)上，并且還要掌握和融合多種工程技術(shù)系統(tǒng)設(shè)備及領(lǐng)域，該技術(shù)具備著極強(qiáng)的工程應(yīng)用性。伴隨著各相關(guān)技術(shù)的廣泛普及和其應(yīng)用研究的日益深入，已經(jīng)為我國煤礦機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)指明了發(fā)展方向（傳感器的精密化、多維化、診斷理論;診斷模型的多元化;診斷技術(shù)的智能化），具體來說為：

4.3.1 設(shè)備裂紋缺陷診斷方法的融合。就現(xiàn)如今的診斷方法來說，我們正在逐漸擺脫單一性質(zhì)技術(shù)診斷的禁錮，并全面應(yīng)用上了多參數(shù)、多故障的綜合有效診斷方法，并且該診斷方法所應(yīng)用的信息是極為普遍的，無論是噪聲、振動(dòng)、應(yīng)力，還是射線都可以作為診斷的依據(jù)。此外，我們也在逐步研究一種新的措施，以便脫離原來的基于快速傅立葉變換的設(shè)備信號分析技術(shù)。

4.3.2 多元傳感器信息的融合及虛擬儀器技術(shù)。目前，我們對一些較為復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)的要求也在不斷增強(qiáng)，為此，需要應(yīng)用到眾多的傳感器來檢測運(yùn)行的設(shè)備，以便能夠得到更為全面、準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。此時(shí)就誕生了虛擬儀器技術(shù)，該技術(shù)涵蓋了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，具備著周期短、資金少、擴(kuò)展性強(qiáng)和應(yīng)用簡單等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。另外，它還具備著極高的經(jīng)濟(jì)效益，為故障診斷技術(shù)的前進(jìn)和發(fā)展提供了良好的施展平臺(tái)。

4.3.3 智能BIT技術(shù)研究與應(yīng)用。該技術(shù)為系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)部提供了故障檢測和隔離的自動(dòng)測試能力，改革和完善了原有技術(shù)在最優(yōu)化設(shè)計(jì)、信息獲取、分析處理和綜合決策等方面的缺陷。它為裝備測試和實(shí)用效能的增強(qiáng)奠定了基礎(chǔ)。這些主要依靠的是該技術(shù)所具備的智能設(shè)計(jì)、智能檢測、智能診斷與智能決策等眾多優(yōu)勢。

4.3.4 基于網(wǎng)絡(luò)的分布式故障診斷系統(tǒng)。現(xiàn)有設(shè)備裂紋故障診斷方法的應(yīng)用并不是最為有效、準(zhǔn)確的，我們通過研究分析發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)程分布式設(shè)備監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)能夠在一定程度上解決傳統(tǒng)方法中存在的問題和缺陷（單機(jī)操作形式、不支持在線監(jiān)視等）。

5 結(jié)語

總而言之，在現(xiàn)如今這個(gè)技術(shù)不斷發(fā)展，資源日益緊缺的環(huán)境下，煤炭資源的進(jìn)一步開發(fā)和利用就顯得尤為重要。這時(shí)，該工程所運(yùn)用到的煤炭機(jī)械設(shè)備就是提供保障的關(guān)鍵因素，需要得到不斷改革和完善，注重其可靠性、可用性、可維修性、經(jīng)濟(jì)性及安全性等方面的強(qiáng)化。換言之就是，要求我們逐漸將精力放到機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測和故障監(jiān)測診斷技術(shù)中去，以便為煤炭事業(yè)的前進(jìn)和發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡介：郭自文（1974-），男，寧夏中衛(wèi)人，神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)礦山機(jī)械制造維修分公司工程師，研究方向：煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）