防爆支架搬運車日常維護保養和故障診斷智能化系統的研究*

楊建勇

(1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006；2.山西天地煤機 裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

20世紀90年代，中國能源集團神東煤礦分公司率先引進了支架搬運車和多功能鏟板車,用于搬家倒面中的重型支架、采煤機、刮板和溜槽等重型設備的運輸，高效快捷的搬家設備及工藝改變了煤礦輔助運輸的運行，提高了煤礦的運行效率[1]。同時由于這些支架搬運車、多功能車設備龐大，采購資金量大，一旦發生故障,影響煤礦巷道的安全運行，因此受到格外的關注。

防爆支架搬運車日常維護方面，依據整機使用說明書的要求進行維護，機械設備的使用狀態三分在用，七分為養，即使細致的保養也難以保證設備不會發生故障，同時各煤礦對設備的日常維護保養參差不齊，國有大型煤礦制定完備的制度，定期對設備進行維護，而有的煤礦疏于投入，直到設備發生故障時才維修，對設備的維護保養不到位[2]。

為了避免因惰性因素造成設備的維護保養不到位的情況，同時避免發生故障后堵塞巷道的嚴重情況，需引進先進技術，加強設備的日常維護保養，縮短設備故障診斷時間，降低維修成本。日常維護保養和故障診斷的智能化系統集成了計算機技術、測試技術和信息技術等綜合的先進系統，判斷設備是否需要保養，判斷故障點，提示維修方案，節約維修時間。根據國內外相關資料，采用故障診斷技術帶來的經濟和社會效益顯著[3]。根據日本調查統計資料，采用設備故障診斷后，企業平均事故率下降到25%，設備的維護成本也大大降低。我國鞍鋼集團采用故障診斷技術后，冷卻器的維護成本下降到總產值的10%[4]，因此,智能化系統在工業設備安全穩定運行中具有推廣意義。

1 防爆支架搬運車現有保養維修模式

防爆支架搬運車分為框架式和鏟板式，圖1為鏟板車式支架搬運車模型。

圖1 鏟板式支架搬運車

支架搬運車的日常維護保養主要集中在防爆柴油機、氣動系統、液壓系統、電氣系統以及轉向鉸接區域的維護[5]，特別要注意設備使用的油品和冷卻液的數量和規格型號等[6]。

山西天地煤機是專門研制煤礦井下防爆車輛的高科技企業，經過多年的發展，公司具備先進的科研體系、專業的售后服務隊伍，在錦界、保德等煤礦對防爆車輛進行了專業化服務，積累了經驗[7]。但目前煤礦防爆車輛使用客戶分布范圍廣，專業化隊伍人員較少，無法做到點面服務到位的情況。同時煤礦客戶在保養方面存在一定的缺陷，例如缺乏專職專業人員跟蹤車輛的運行狀態，無法對故障進行判斷，導致車輛發生故障后需多方配合才能找到故障點，浪費了時間，影響客戶的工程進度。

2 日常維護和故障診斷的智能化系統

為了輔助煤礦工作人員按時保質進行日常維護和快速診斷防爆車輛的故障，同時積累故障診斷相關的經驗，針對性地提出基于日常設備維護和故障診斷的智能化系統，將維護保養和故障診斷結果可視化，提示工作人員進行相關操作，使專業化日常維護保養服務的知識和多年故障診斷經驗能夠更好地被煤礦企業共享和使用。

圖2是日常維護保養和故障診斷的智能化系統的拓撲圖，該系統分為設備運行信息收集部分和信息處理部分，保養、故障預警可視化屏幕和程序植入部分。設備運行信息收集部分是在防爆車輛信息采集部位布置傳感器，收集設備運行的各項參數。故障分析單元部分是整個系統的核心，具備日常保養維護和故障診斷判斷兩個模塊，通過已植入智能化程序核對車輛是否進入保養階段，判斷設備的故障信息，并通過人機交互界面提醒相關的工作人員。同時該系統具備無線傳輸功能可將最新設備運行和故障信息傳遞到煤礦客戶的管理系統。該系統具備程序更新模塊，通過程序植入部分端口將研發、售后人員積累的新經驗植入到系統中，不斷維護智能化系統的及時性，保障設備安全穩定的運行。

圖2 日常維護保養和故障診斷的智能化系統的拓撲圖

2.1 系統日常維護保養模塊

防爆支架搬運車用于煤礦搬家倒面的支架運輸，井下道路坑洼曲折，經常長距離大坡度運行，使用工況惡劣，對設備要求非常嚴格。智能化系統的日常維護保養模塊將專業化服務信息進行計算機語言編程，配合設備實際運轉時間和行駛里程信息,提醒維護保養人員進行對應的維護措施。

客戶之前按照表1規定的保養內容進行維護，客戶在庫房準備空氣濾芯、機油和黃油等輔料，等待設備保養人員的需求[8]。保養時，保養人員從庫房領取輔料對設備進行維護，過去沒有定量的參數可以參照，保養項目和保養質量無人監督，容易造成維護保養項目的缺失或維護不到位[9]。

表1 定時保養項目

裝配智能化系統人機交互界面對維護人員進行提示，顯示相關的保養項目，自動將信息傳遞到庫房準備相應的輔料，待保養人員完成保養后進行人機交互界面的操作，系統進入檢測模式，通過壓力、溫

度、流量等傳感器傳回的信號，檢測保養項目是否維護到位。

2.2 系統故障診斷模塊

防爆支架搬運車運行時粉塵非常大，工況復雜，防爆柴油機是支架搬運車的心臟，對柴油機要求非常嚴格，因此,該部分必須具備可靠、耐用、故障率低等特性[10]，本文以防爆柴油機的故障診斷智能化系統為例。

防爆柴油機是一種結構復雜的往復式運動機械，故障現象與發生故障的原因之間不一定一一對應，因此,對防爆柴油機進行故障的診斷需要有專業的研發和維修人員才能判定，確定方案后,售后服務排除故障。但是，在煤礦井下的復雜環境中，由于空間、照明、維修場地和下井人員的限制，不可能安排很多專業人員在良好的工作環境中共同進行診斷工作。因此，需要利用計算機開發的故障診斷模塊，幫助煤礦設備維修人員及時找到故障點，排除故障，從而保證煤礦井下設備的安全穩定運行。近年來，國內外都致力于研究機械設備的故障診斷技術，其廣泛應用于各個領域，然而在防爆柴油機的故障診斷領域，尚屬于研究階段。地面故障診斷領域現有的技術有：故障樹分析方法、熱力參數分析法、油液分析法振動分析法、基于神經網絡的診斷方法[11]、基于專家系統的診斷方法等。故障樹分析方法屬于正向推理，符合煤礦客戶對故障診斷的思維習慣，較為簡單，因此,采用故障樹分析方法較為適合煤機行業。故障樹分析方法的核心是系統已有的程序化專家知識系統，將現有的常見故障和排除方案。編程進入智能化系統，如表2所示。發生故障診斷時，對傳感器傳遞到故障分析單元的數據進行邏輯處理，經過推理分析，在人機交互界面顯示給相關工作人員，若故障特征匹配不成功,邏輯進入事實數據庫，反之進入人機交互界面提示工作人員進行故障處理，如圖3所示。

圖3 故障診斷邏輯

表2 常見故障和排除方案

依據邏輯推理原理進行傳感器的布置和故障分析單元的布置，供電部分由交流發電機、電壓調節器、蓄電池箱和電源開關組成[12]。礦用防爆日常維護保養和故障診斷智能化系統實時監測運轉時間、行駛里程、溫度信息、流量信息、轉速信息、振動信息、壓力信息和其他信息等物理信息[13]，通過邏輯處理和運算實現支架搬運車的日常維護保養和故障診斷判斷，信息顯示在人機界面[14]，對無法處理的故障信息通過接口/專家處理部分得以解決，系統電氣原理如圖4所示。

1-隔爆型永磁發電動機；2-隔爆型發電機調節器；3-礦用隔爆型信號開關；4-煤礦用移動輕型橡套軟電纜；5-防爆日常維護保養和故障診斷智能化系統；6-礦用澆封型電磁閥;7-礦用隔爆型備用電源箱。

1-運轉時間傳感器;2-行駛里程傳感器;3-溫度元件;4-流量元件;5-轉速元件;6-油壓元件;7-振動傳感器;8-其他信息。

圖6 礦用隔爆型備用電源箱原理

目前該系統裝載在WC75E支架車上，在皇陵二號井進行了工業性試驗，經過一段時間的運轉，在日常維護保養方面發揮了較大的效用，系統通過里程和運轉時間傳遞的數據提示維護保養信息，降低了工作人員的勞動強度，設備得到了及時的維護。

3 日常維護保養和故障診斷智能化安裝

為了檢驗該系統是否有效，在煤礦搬家倒面工程中是否能時刻了解支架搬運車的運行狀態，判斷是否能找到故障點，對該智能化系統進行了安裝調試，如圖7、8、9所示。

圖7 傳感器布置

圖8 故障分析單元

圖9 人機交互界面

4 結論

日常保養維護和故障診斷的智能化系統裝配到煤礦防爆支架搬運車能夠顯著提高運行工作效率[15]，裝配在煤礦井下的防爆車輛，具備性能完好、易于操作、維護方便的特點。系統為維護人員快速判斷故障原因提供了依據，但目前故障診斷模塊僅能起到輔助判斷的作用，未來該系統可在完善中逐步發揮作用。

智能化系統的日常保養模塊已經顯示了良好的效果，為維護保養人員提供及時的保養信息，通過更換濾芯、機油等相對應的規章操作保養設備，保障其安全穩定的運行。

智能化系統故障診斷模塊還需不斷完善，希望未來能起到提示工作人員作出相應處理的作用，為增強設備安全的可靠運行提供保障。