礦山機電設備設計與管理中機械故障診斷技術的應用

徐國明

（遼寧新都黃金有限責任公司，遼寧 朝陽 122000）

我國的礦產資源豐富，在礦山開采工程中需要使用許多機械、電氣以及電氣自動化等機電設備。礦山機電設備在使用中會因為自身設計以及日常使用維護、管理等因素，出現不同類型、程度的故障從而導致礦山開采工程在施工時因機電設備的故障因素而出現施工危險或影響施工進程。機械故障診斷技術包含了機械故障檢測、識別、故障位置定位以及做出故障診斷決策方案等環節。隨著對設備故障檢測技術的研究不斷深入，越來越多不同類型的故障診斷技術應用于多種行業設備使用[1]。而在礦山生產過程中應用故障診斷技術能夠降低礦山機電設備出現故障的概率，避免因機電設備故障影響工程作業安全，拖緩礦山施工效率。基于以上分析內容，本文將對礦山機電設備設計與管理中機械故障診斷技術的應用進行研究。

1 機械故障診斷技術分析

不同的種類機械故障診斷技術適用于不同類型的礦山機電設備，本節將對常見的機械故障診斷技術進行分析，從而研究在礦山機電設備設計與管理中機械故障診斷技術的應用。

根據相關資料，機械設備故障診斷技術根據原理可以劃分為基于解析模型的故障診斷技術、基于信號處理的故障診斷技術和基于知識的故障診斷技術三種類型，這三種故障診斷技術依據其原理的不同適用的故障診斷條件不同。若需要故障診斷的機械設備的抽象模型已知，則可以采用基于解析模型的故障診斷技術；若機械設備的輸入、輸出信號已知，可以采用基于信號處理的故障診斷技術進行故障診斷；若無法建立診斷對象的定量模型也無法獲取診斷設備的輸入、輸出信號，則可以采用基于知識的故障診斷技術。

如今利用信號處理原理的故障診斷技術通過短時傅里葉變換、小波變換等信號處理方法結合時頻域分析方法，實現了較為精準的信號故障診斷。其中，基于共振稀疏分解的故障診斷方法是利用礦山機電設備發生故障后，通過對信號采集裝置采集到設備的振動信號進行共振稀疏分解。具體利用共振稀疏分解原理進行故障診斷的流程圖如下所示[2]。

圖1 共振稀疏分解故障診斷流程

由于在機械設備中，軸承、齒輪部件的振動信號更加容易被采集，而且軸承、齒輪部件極易受到其它連接部件的影響。除此之外，在設備的正常工作運行中，軸承、齒輪部件的磨損率較大，更容易出現故障，而這種故障診斷技術主要應用于對轉動機械中的齒輪部件進行故障診斷，能夠及時判斷軸承、齒輪部件是否需要替換，降低相關部件的損耗幾率。

現代機械設備向自動化、智能化、大型化方向發展，根據信號處理原理對大型復雜機械設備進行故障診斷時會受到機械內部其它部件運行時的影響，而大型機械設備的復雜構造，無法建立準確的設備系統模型，只能采用基于知識的故障診斷技術。隨著人工智能技術的發展，利用人工智能進行知識的自動獲取提高了故障診斷的準確率和效率。基于支持向量回歸原理的機械故障診斷技術利用算法提取機械故障特征，再經由支持向量分類處理后，實現對機械故障的診斷。這種故障診斷技術的精度高、速度快，并且能夠同時對復雜大型機械內部所有可疑故障位置同時進行故障診斷，診斷效率極高。而且隨著機器學習相關領域研究的不斷深入，通過引入專家系統可以在精準診斷出機械故障的同時給出較為詳細的故障維修管理方案，進一步保障機械運行的平穩安全。

基于模型的故障診斷技術通過將誘拐診斷和一致性診斷相結合的形式，利用機械產生故障行為的因果模型作為分析對象，從而實現對機械故障的診斷。這種故障診斷技術的核心是對機械部件碰集的求解，即通過對機械故障特征集合、征兆與機械故障之間先驗信息關系的定量或定性分析。利用相關改進算法能夠進一步提高基于模型的機械故障診斷技術的精確度。但是這種故障診斷技術在診斷時無法靈活調整模型對待診斷對象的表征，而且在求解問題時，這種診斷技術的開銷較大，只適用于對小型、簡單、靜態控制的機械系統進行故障診斷[3]。

根據以上分析內容，本文將結合實際研究礦山機電設備設計與管理中的機械故障診斷技術應用。

2 礦山機電設備設計與管理中機械故障診斷技術的應用

2.1 故障診斷在礦山機電設備設計中的應用

在礦山機電設備設計的過程中的機械故障診斷技術主要是應用于對設備控制的軟件部分的相關參數進行監測以及故障診斷。在礦山機電設備運行的過程中，設備的控制參數出現故障時，會導致機電設備從軟故障轉變為硬故障，從而引發機械的重大故障。因此，在礦山機電設備設計中，對于容易發生振動的部件加裝振動傳感器采集這一類振動部件的振動頻率信號，并將振動信號傳輸至設備的運行管理終端，從而利用基于信號分析的故障診斷技術對振動部件的工作狀態進行監測和故障診斷。

對礦山開采使用的礦用高壓異步機設計時采用基于模型的故障診斷技術和基于信號分析的故障診斷技術相結合的形式。在設計時首先根據礦山開采工程的相關參數，在計算機建模軟件中對礦用高壓異步機在工程作業時的具體過程進行建模。根據計算機建立的相關模型使用基于模型的故障診斷技術進行模擬故障診斷，根據故障診斷結果對實際的礦用高壓異步機設計參數進行相對應的調整，從而實現在設計初期最大程度上避免因設計參數因素而導致礦用高壓異步機出現故障。除此之外，在礦用高壓異步機的結構設計時，加入傳感器零件，以便于在礦用高壓異步機使用時結合其它故障診斷技術，提升礦用高壓異步機使用的可靠性。

對于礦用開采使用的大型設備，主要根據開采礦物的硬度、開采總作業量、日計劃開采作業量等詳細作業參數，通過數據定量建模的形式對開采設備在開采作業中容易出現大量磨損的部件的使用壽命進行估算。結合相關礦采工程歷史數據，設計礦用開采各易磨損部件的使用壽命閾值。當實際使用時，根據設計的閾值及時 替換相關部件。

在礦井提升機的設計過程中，根據礦采工程作業規模，計算礦井提升機的最大承載重量，以及在最大承載重量下能夠平穩提升作業的最大次數。設定礦井提升機的最大作業量，并在提升機上加裝保險繩索，進一步保障礦井提升機在施工作業時的正常運行穩定。

除此之外，考慮礦用機電設備在工作時由于作業開采量較大，機械設備容易出現發熱問題，因此機電設備在設計時需要考慮溫度因素。當機械運行時超出設計的正常工作溫度時，則考慮可能因為機械設備內部溫度升高而導致機械出現故障。在礦山機電設備設計過程中應用多種故障診斷技術能夠有效提升設備使用時故障排除效率，避免因設計缺陷影響礦山工程作業進度。

2.2 故障診斷在礦山機電設備管理中的應用

除了在礦用機電設備設計時應用故障診斷技術，在礦采施工作業時對設備的管理維護也需要應用故障診斷技術。

在礦用高壓異步機日常工作作業時，主要采用局部放電檢測技術、磁通檢測技術、電流高次諧波技術三種基于信號處理分析的故障診斷檢測技術綜合對礦用高壓異步機的作業狀態進行故障診斷處理。在礦用高壓異步機的日常作業過程中，對高壓部件采用局部放電檢測技術采集對應部件的脈沖信號變化量，經過分析后判斷對應部件是否出現故障。對于高壓異步機中的磁感應構件采用磁通探傷傳感器采集損傷部件的磁通信號變化，并根據磁感應構件設計使用的材料特性，考慮材料本身特性造成的磁通信號非均勻性變化，以及溫度、濕度等外界環境的影響，精準對磁感應構件進行故障診斷。由于礦用高壓異步機的運行狀態也受供電電網中電壓、電流的影響，使用電流高次諧波技術對供電電網中的信號進行諧波分析，結合電網正常運行供電時的電壓、電流信號諧波特征，從而完成對礦用高壓異步機的故障診斷。

在礦用機電設備的管理過程中，對礦用通風機的故障診斷主要使用集成了信號監測、采集、故障診斷分析的專業故障診斷儀進行礦用通風機的日常運行狀態故障診斷。當礦用通風機出現故障時，由故障診斷儀對故障位置、原因等進行詳細檢測，設備管理人員需要根據儀器顯示的相關結果結合自身機械設備維修管理經驗，對礦用通風機出現的故障進行處理。

礦采提升機的日常管理維護過程中，需要每日檢測提升機械軟件控制部分是否存在報錯，并對軟件控制部分進行運行故障診斷。除了對軟件控制部分進行故障診斷，還需根據礦采作業人員的反饋對硬件部分的構件進行故障診斷。對于其它小型或特殊用途的機電設備主要采用故障檢測儀、人工經驗監測、無損檢測等多種方法 進行故障診斷，建立完善的故障分析與排除機制，從而定時養護、更換、維修故障率較高的機電設備機械構件。通過在礦山機電設備的日常管理中應用多種故障診斷技術能夠有效提高機械設備的使用壽命，保證礦山工程的安全生產。

以上內容，即為本文對礦山機電設備設計與管理中機械故障診斷技術的應用的研究。3 結語

礦山機電設備的設計性能和運行狀態對礦山開采工程的正常開展十分重要。在礦山機電設備的設計和使用運行的過程中，都需要應用到機械故障診斷技術。通過應用針對不同設備部件的診斷技術，能夠維護設備在礦山工程中的日常運行，避免因機電設備故障導致礦山工程停工或出現施工危險。在未來的研究過程中仍需要針對當前故障診斷技術的確定進行深入研究，以提高故障診斷技術的使用精度。