基于聲發(fā)射原理的礦井掘進(jìn)機(jī)故障診斷技術(shù)研究

常彥鵬

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)礦山設(shè)備管理中心，山西 介休 032000）

引言

掘進(jìn)機(jī)是實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)械化及自動(dòng)化掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，但是由于掘進(jìn)機(jī)工作條件惡劣，煤巖硬度高、空氣濕度大、操作及維護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩鼐赡茉斐删蜻M(jìn)機(jī)故障頻發(fā)，因此如何對(duì)掘進(jìn)機(jī)各類故障進(jìn)行快速識(shí)別及處置至關(guān)重要。但由于掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其故障信息離散性較大，因而故障診斷難度也較大，而聲發(fā)射技術(shù)作為一種常見的故障識(shí)別手段，與掘進(jìn)機(jī)的故障診斷有諸多契合點(diǎn)[1-4]。

1 掘進(jìn)機(jī)故障類型分析

掘進(jìn)機(jī)主要構(gòu)成部分包括截割系統(tǒng)、裝載系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精密性高。其故障類型主要可分為機(jī)械故障及液壓故障兩類。

1.1 掘進(jìn)機(jī)常見機(jī)械故障

1）掘進(jìn)機(jī)截割部故障。截割部故障大多是由于截割量過大、帶負(fù)荷啟動(dòng)或遇大塊硬夾矸等因素引起，常表現(xiàn)為截齒損壞、脫落、安全螺栓斷裂、截割頭轉(zhuǎn)動(dòng)失效等故障現(xiàn)象。

2）掘進(jìn)機(jī)行走部故障。行走部是整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的連接和支撐結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)行走執(zhí)行功能，其故障主要有履帶板斷裂、履帶松脫打滑、制動(dòng)器故障、減速器故障等，從而導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)行走功能受損。

3）掘進(jìn)機(jī)主軸承故障。主軸承的故障主要是各類密封原件發(fā)生損壞或者失效，導(dǎo)致漏油漏水現(xiàn)象，損害掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力傳輸、潤(rùn)滑以及供水降塵等功能，難點(diǎn)是故障點(diǎn)隱秘，識(shí)別及處理難度較大。

4）運(yùn)輸系統(tǒng)故障。主要是刮板機(jī)斷鏈故障，刮板機(jī)卡鏈故障，刮板機(jī)鏈條斷裂故障，鏈條過松或過緊故障，均會(huì)造成掘進(jìn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)卡阻，甚至連帶引發(fā)其他故障。

1.2 掘進(jìn)機(jī)常見液壓故障

1）液壓系統(tǒng)供壓不足。表現(xiàn)在不出油、輸油量不足、壓力上不去、壓力不穩(wěn)定等，故障原因包括油路堵塞、濾油器堵塞、各類閥組失效、管接頭松脫、發(fā)生內(nèi)泄漏等。

2）工作機(jī)構(gòu)速度較低。表現(xiàn)在設(shè)備推力不足、爬行無力、工作速度逐漸下降甚至停止，故障原因包括密封失效、油路發(fā)生泄漏、供壓油腔與回壓油腔發(fā)生短接、油量不足、吸油量不足等。

3）噪聲、振動(dòng)異常。表現(xiàn)在供壓管路的異常振動(dòng)、噪聲增大，故障原因包括管路內(nèi)進(jìn)氣、管路堵塞、腔體內(nèi)存在局部真空、氣蝕因素、泵體損壞、轉(zhuǎn)速過大、聯(lián)軸器松動(dòng)等。

2 掘進(jìn)機(jī)聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大多數(shù)材料或結(jié)構(gòu)在外力影響時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦或者裂紋，進(jìn)而出現(xiàn)彈性波應(yīng)變，通過聲發(fā)射這種無損檢測(cè)技術(shù)，可對(duì)彈性波應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行接收和放大處理，聲發(fā)射信號(hào)能夠反映掘進(jìn)機(jī)的故障信息，可對(duì)掘進(jìn)機(jī)故障進(jìn)行識(shí)別和診斷。

根據(jù)聲發(fā)射技術(shù)原理[5-6]，可設(shè)計(jì)出掘進(jìn)機(jī)故障診斷的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件為聲發(fā)射傳感器，選用AE98型諧振式傳感器。但是由于傳感器接收到的信號(hào)十分微弱，還需要通過前置放大器及主放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)還需要進(jìn)行噪聲過濾，再經(jīng)過檢波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行降頻處理，得到適于系統(tǒng)使用的低頻信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換器得到計(jì)算機(jī)能夠處理的信號(hào)，上傳至計(jì)算機(jī)的信號(hào)時(shí)間間隔為10 μs，計(jì)算機(jī)配備數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析。環(huán)境檢測(cè)模塊也至關(guān)重要，能夠過濾掉掘進(jìn)機(jī)周圍環(huán)境的雜亂信號(hào)，與聲發(fā)射傳感器捕捉的故障信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，從而提高信號(hào)捕捉的準(zhǔn)確度。

圖1 掘進(jìn)機(jī)故障診斷聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

3 掘進(jìn)機(jī)故障診斷實(shí)例研究

利用聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走部進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行識(shí)別放大，可得出故障信號(hào)的聲發(fā)射曲線，包括時(shí)間和頻率的關(guān)系，如圖2所示。圖中的聲發(fā)射曲線有三個(gè)波峰，與實(shí)際故障現(xiàn)象對(duì)應(yīng)，第一個(gè)波峰代表行走部履帶板出現(xiàn)裂紋，第二個(gè)波峰說明隨著受力和時(shí)間延長(zhǎng)，裂紋進(jìn)一步發(fā)展，第三個(gè)波峰說明裂紋發(fā)展到一定程度，出現(xiàn)履帶板斷裂，掘進(jìn)機(jī)行走部失效，無法行走。

圖2 時(shí)間和頻率關(guān)系聲發(fā)射曲線

諸如此類，可以對(duì)掘進(jìn)機(jī)其他故障進(jìn)行識(shí)別診斷，獲得各種故障的聲發(fā)射數(shù)據(jù)樣本，形成故障信息數(shù)據(jù)庫。基于故障信息數(shù)據(jù)庫，利用MATLAB軟件對(duì)故障情況進(jìn)行仿真研究，結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的迭代收斂性質(zhì)，對(duì)150組故障數(shù)據(jù)樣本的精確度進(jìn)行驗(yàn)證。得出故障數(shù)據(jù)樣本的精確度如表1所示。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可知，聲發(fā)射故障信息的正確率方面，截割部故障、主軸承故障、運(yùn)輸系統(tǒng)故障、工作機(jī)構(gòu)速度較低故障正確率均達(dá)到100%，噪聲及振動(dòng)異常故障正確率為95%，行走部故障正確率為90%，供壓不足故障正確率稍低，為85%，主要是由于液壓系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)泄故障，容易被外界環(huán)境干擾，影響了準(zhǔn)確度。

表1 故障數(shù)據(jù)樣本的精確度驗(yàn)證情況

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)的故障診斷聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)掘進(jìn)機(jī)的常見機(jī)械故障及液壓故障進(jìn)行診斷分析，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用分析得出：故障診斷的正確率較高，能夠較好地被應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，但由于液壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及故障信號(hào)易被外界干擾，供壓不足故障檢測(cè)的正確率稍低，仍須進(jìn)一步改進(jìn)。