基于電信號融合的煤礦井下坑道鉆機故障預警

羅鵬平，王龍鵬，趙 良，張 銳，翁寅生，魯飛飛

(中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

全液壓坑道鉆機是目前我國煤礦井下瓦斯治理的重要鉆探機具。由于煤礦井下電氣設備具有嚴格的防爆要求，使得能夠用于煤礦井下的傳感檢測元器件種類較少，其設計開發成本較高。因此，煤礦井下鉆機的狀態監測和故障診斷技術的發展受到了很大制約[1]。目前，鉆機的故障診斷主要依靠人工經驗進行判斷。為了使司鉆人員實時了解鉆機運行狀態，需要給鉆機配備狀態監測系統[2]。

全液壓坑道鉆機液壓系統由三相異步電動機驅動，機身配有電機啟動柜，且啟動柜一般都是隔爆型。因此，可以在啟動柜腔體內加裝普通霍爾傳感器和普通數據采集器實時采集三相異步電動機的電信號。由于全液壓坑道鉆機液壓系統的壓力、流量以及溫度等參數的檢測只能在隔爆腔體外進行，這些傳感器只能選擇符合煤安認證的特殊傳感器。因此，對于煤礦井下坑道鉆機而言，鉆機三相異步電機的三相電信號的獲取相對容易。

一臺設備的功率變化歷程蘊含著該設備系統的運行狀態、工況負載等信息[3]。根據這一基本原理，西安建筑科技大學谷立臣教授提出了充分利用電氣參量提供的幅值、相位信息、相間和相序信息繪制單相和三相李薩如圖，計算電功率與李薩如圖特征量之間的定量關系。通過實時計算李薩如圖圖形面積、外接矩形面積、形狀、旋轉方向的變化，實現對系統運行狀態、工況等信息進行有效在線監測[4-6]。

1 電信號融合理論

在運動學中，兩個方向垂直且頻率相同的簡諧運動的合運動軌跡為橢圓，而電力系統中電網輸送的電壓和電流信號是頻率相同的正弦波。如果以電壓信號為橫軸，電流信號為縱軸建立平面直角坐標系，則該坐標平面內的任意一點對應著電網系統某一瞬時電壓和電流大小；因此，該平面內的任意一點橫縱坐標的乘積代表了電網系統的某一監測點在某一時刻的瞬時功率，故將該平面定義為電功率平面[7]。圖1為理想電功率軌跡，其由一個周期內電壓和電流信號融合所得，A點的橫縱坐標乘積反映了電網系統某一監測點在某一時刻的瞬時功率情況。文獻[6]還從數學角度證明了橢圓面積與電功率之間存在簡單的正比例關系。

圖1 理想電功率軌跡

2 系統故障預警原理分析

在實際情況下，由電機定子側獲取的實測電信號往往不再是頻率單一的正弦波，其中常常混有諧波分量以及邊頻分量。因此，由實測電壓信號和實測電流信號融合所得電功率軌跡不再是標準橢圓。如圖2中實測電功率軌跡所示，虛線軌跡為基頻橢圓，即先對實測電信號進行濾波處理，提取實測信號中的基頻成分，然后將實測信號中的基頻電壓和基頻電流信號融合所得。

從系統能量角度來看，濾波前后系統的能量發生了變化，即圖2中實線軌跡圍成的平面圖形面積和虛線軌跡圍成的平面圖形面積有差別，二者之間面積之差反映了濾波處理后能量的損失情況。

圖2 實測電功率軌跡

由圖形直觀可得，實測電信號融合所得軌跡圍繞基頻橢圓軌跡發生畸變波動，因此可以通過數理統計的方法對二者的差異情況進行定量分析，方法如下：

以基頻橢圓軌跡為實測信號軌跡的均值，對實測信號軌跡求方差：

設(u0,i0)為t時刻電功率平面內基頻橢圓軌跡上的一點，(u,i)為同一時刻實測信號(未經基頻提取處理)軌跡上與(u0,i0)對應的一點，則實測信號軌跡相對于基頻橢圓軌跡的方差定義如(1)式所示，定義其為實測信號橢圓方差。

σ2=(u(t)-u0(t))2+(i(t)-i0(t))2

(1)

若將電信號一個完整周期內的方差作為一個樣本，即每隔0.02 s求一次σ2，這樣就可以得到σ2隨時間變化的關系σ2(t)；從概率統計學角度來看，σ2(t)為統計學中的方差，它反映了實測信號軌跡以基頻橢圓軌跡為中心的波動程度。從幾何角度分析，上式(1)反映了電功率平面內任意兩點之間距離，即反映了某一時刻兩點間瞬時功率之間的差異情況。從這個角度出發，上述σ2的物理意義在于：其反映了任意時刻系統總的瞬時功率和基頻瞬時功率之間的差異。

電機作為整個鉆機系統功率的輸入端，系統負載波動都可能影響輸入功率。當鉆機系統的機械、液壓以及電氣等方面出現故障時就會引起鉆機整個系統能量發生變化，這種由故障引起的能量變化必然會傳遞到電機定子側，引起電機定子側電功率的波動，并具體表現為電功率圖形軌跡的變化。因此可以通過監測實測電信號軌跡相對于基頻橢圓軌跡的方差來實現全液壓坑道鉆機的故障預警。

3 試驗研究

3.1 實驗方案

為了驗證該方法的有效性，針對兩種常見典型故障進行了實驗研究。根據電信號融合理論設計了圖3所示的故障預警實驗方案。實驗系統組成如下：

三相異步電動機拖動液壓泵，經換向閥控制液壓馬達正反轉，液壓馬達軸端連接磁粉制動器用于模擬系統負載。電機定子側安裝有霍爾傳感器用于電信號的檢測，傳感器測得模擬量信號經過采集器轉化為數字信號，傳輸至計算機進行分析處理。

圖3 故障預警實驗方案

實驗分別針對電氣故障中的匝間短路故障和機械故障中的轉子不對中故障展開研究。在匝間短路故障中，實驗電機為一臺2極三相鼠籠異步電機，實驗在相同工況條件下，分別對電機u繞組三匝短接、五匝短接和不短接三種情況進行了研究。在轉子不對中實驗中，分別對轉子與液壓泵軸向不對中和對中兩種情況展開了研究。

3.2 故障預警實驗分析

鉆機正常實測信號方差如圖4所示，實線為鉆機液壓系統在8 MPa恒定載荷下實測信號橢圓方差曲線，虛線為鉆機液壓系統在12 MPa恒定載荷下實測信號橢圓差曲線。由圖可知，不同負載工況下，實測信號方差曲線基本相同。

圖4 鉆機正常實測信號方差

上述結果表明，鉆機在正常工作時，由供電系統引入到電機定子側電信號的諧波分量是穩定的。因此，實測信號方差曲線不受鉆機液壓系統負載變化影響，鉆機在正常工作狀態下所測得實測信號橢圓方差基本是一個恒定值。

圖5為三匝短路故障預警實測信號方差，是在鉆機液壓系統壓力均為10 MPa恒定載荷情況下，鉆機正常和鉆機故障兩種情況下所得試驗數據。虛線為鉆機正常情況下實測信號方差曲線，實線為鉆機電機三匝短路故障時實測信號方差曲線。圖6為五匝短路故障預警實測信號方差曲線，是在鉆機液壓系統壓力均為10 MPa恒定載荷情況下，鉆機電機三匝短路和五匝短路時實測信號方差曲線，圖中實線代表了五匝短路時實測信號的方差曲線，虛線代表了三匝短路時實測信號方差曲線。

由此可知，鉆機出現電機匝間短路故障時的實測信號方差大于鉆機正常情況下的實測信號方差，而且隨著故障程度的加劇，實測信號方差增大。

圖5 三匝短路故障預警實測信號方差

圖6 五匝短路故障預警實測信號方差

以上實驗中所涉及的故障為電氣故障，為了驗證該方法對鉆機其它類型故障預警的有效性，試驗還對鉆機中的機械故障進行了試驗驗證。圖7為轉子不對中故障預警實測信號方差，是電機轉子對中和轉子不對中時實測信號方差曲線，虛線為電機轉子對中情況下實測信號方差曲線，實線為電機與液壓泵之間轉子不對中時實測信號方差曲線。由結果可知，鉆機出現轉子不對中故障時的實測信號方差也大于鉆機正常狀態下的實測信號方差。

圖7 轉子不對中故障預警實測信號

綜上所述，鉆機在出現匝間短路和轉子不對中故障時所得實測信號方差均高于鉆機正常狀態下的實測信號方差，而且鉆機在出現匝間短路故障時實測信號方差隨著故障程度的加劇而增大。因此，通過對鉆機電機電信號的實測信號方差的監測可以實現煤礦井下全液壓坑道鉆機的故障預警。

4 結語

鑒于煤礦井下全液壓坑道鉆機特殊的工作環境，采用檢測鉆機電機三相電信號間接測量方法實現了鉆機的故障預警。該方法可以將普通工業傳感器和采集器安裝在鉆機啟動柜腔體內，極大地方便了信號的獲取，同時降低了檢測系統開發成本。借助電功率理論，通過對實測信號方差的監測實現了鉆機的故障預警，為后續鉆機的故障診斷奠定了一定基礎。

[1] 翁寅生，姚克，殷新勝.坑道鉆機參數測量系統及其在煤礦中的應用[J].煤礦安全，2016，11(47)：117-123.

[2] 張陽陽，姚寧平，董洪波，等.煤礦全液壓鉆機狀態監測系統的設計與實驗[J].煤礦機械，2014，35(3)：183-186.

[3] 谷立臣，張優云，丘大謀.液壓動力系統運行狀態識別技術研究[J].機械工程學報，2001，37(6)：61-65.

[4] 谷立臣，劉沛津，陳江城.基于電參量信息融合的液壓系統狀態識別技術[J].機械工程學報，2011，47(24)：141-150.

[5] 谷立臣，劉沛津.在線監測電機功率狀態的圖形識別方法[J].電機工程學報，2012，32(9)：100-108.

[6] 劉沛津.基于電參量信息融合的液壓系統運行狀態監測方法研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012.

[7] 羅鵬平.基于電功率圖形化方法的液壓系統運行狀態監測[D].西安：西安建筑科技大學，2015.