采煤機截割部軸承故障診斷系統研究

張 巖

（晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我國煤炭資源儲量十分豐富，每年的煤炭產量及煤炭開采量均位居世界第一，煤炭資源的開采成為了我國國民生產生活最為依賴的能源。據統計，煤炭資源在我國一次能源消耗占比中超過7 成，足以看出煤炭資源對我國發展的重要性。在進行煤炭資源開采過程中由于受埋深、賦存條件等因素的影響，對煤礦機械的要求也越來越高，采煤機作為截煤、裝煤的重要設備，其性能優越性對于礦井開采十分重要，但由于其作業高效及工況環境較為惡劣，將使得采煤機極易出現故障。截割部是采煤機重要的組成部分，其主要功能為割煤和落煤，一旦采煤機截割部發生故障，使得整個采煤機處于癱瘓狀態[1-2]。

截割部軸承采用滾動軸承，其在割煤時起到一定的潤滑作用，能夠降低采煤機工作時的磨損，軸承出現故障時采煤機不會停止工作，但會加大部件間的磨損，嚴重損壞設備。此前眾多學者對采煤機截割部軸承故障進行過研究[3-4]，本文基于以上研究設計了一款采煤機截割部軸承故障診斷系統，為礦井高效及安全開采提供參考。

1 故障診斷系統需求分析及總體框架設計

設計采煤機截割部軸承故障診斷系統前，需要對設計的經濟可行性及技術可行性進行必要的分析，確定設計的需求。在采煤機滾動軸承發生故障時會引發相關部位發生一定的磨損，嚴重時會導致相關部件發生損壞，降低部件的使用壽命。設計故障診斷系統能夠對滾動軸承進行實時故障診斷，及時發現滾動軸承的故障，從而降低其他相應部件的磨損，延長設備的使用壽命。所以采煤機的截割部軸承故障診斷系統在經濟層面來說可行。本文采用Java 和Matlab 軟件相結合進行編程。利用Java 實現系統前端的設計，利用Matlab 實現算法及函數，所以截割部軸承的故障診斷系統在技術層面上也可行。

采煤機截割部軸承故障診斷系統通過可視化將診斷進行實時顯示，便于操作人員對設備進行及時維修。軸承故障診斷的診斷原理主要是通過對軸承噪聲進行采集及分析，對滾動軸承進行故障診斷。同時不同用戶應當具有不同的權限，權限分為普通權限及管理權限兩類，其中普通權限僅能對故障診斷系統進行查看，而管理權限在登錄后可以進行實時操作。管理員模塊包括了用戶注冊、讀入數據、用戶登錄、數據預處理、截割部故障診斷、故障診斷及操作記錄等內容。

2 軸承故障診斷系統設計

對采煤機截割部軸承故障診斷系統進行設計，截割部軸承故障診斷系統框架總體可分為四部分，分別有View層、Controller 層、Service 層、DAO 層。故障診斷系統的總體框架如圖1 所示。從圖1 中可以看出，View 層為系統的顯示界面，內部包含數據顯示模塊、用戶登錄模塊、用戶注冊模塊，其主要用于人機互動；Controller 層是系統的主要業務模塊，其是系統運行的模塊核心；Service 層是系統運行的邏輯模塊，其負責對采煤機截割部軸承信息進行匯總及分析，發現故障信息及時進行報警，是整個系統運行的“大腦”；DAO層是數據儲存層，其能夠將用戶信息、診斷結果及操作記錄等進行儲存，是系統工作的持久層。

圖1 截割部軸承故障診斷系統框架圖

采煤機截割部軸承故障診斷系統整體包含5 個子系統，功能模塊如圖2 所示。其中用戶登錄區分普通用戶和管理員。根據不同的標識符判斷是哪種用戶，從而顯示不同的界面。讀入數據是由8 種不同的頻帶振動數據和2 種不同頻帶噪聲數據組合而成，系統通過對振動及噪聲信息進行讀入、整合，為后續故障診斷提供一定的依據。數據預處理模塊主要是對讀入的數據進行降噪等處理，從而提升軸承數據的精準性，保證截割部故障診斷的準確性及敏捷性。截割部故障診斷模塊將預處理的數據通過Adaboost 集成學習算法和非線性邏輯回歸進行檢驗，當發現采煤機截割部軸承存在故障信息時立刻通過截割部的故障診斷界面進行顯示，從而達到實時報警的目的。操作記錄模塊是系統存儲操作記錄的一種方法，對操作人員的每步操作，及操作的時間、行為、功能項進行實時記錄存儲，在后期查找快捷方便。

圖2 系統功能模塊

在采煤機截割部軸承診斷系統運行過程中會形成大量數據，所以對診斷過程數據進行儲存。本系統采用MySOL 數據庫建立相關數據管理信息，其中建立的數據庫內部分為4 種數據表格，分別為故障診斷記錄表、用戶信息表、操作記錄表、截割部故障診斷數據記錄表。數據庫中每個表對應不同的數據，其中用戶信息表用于存儲用戶身份信息、密碼、用戶權限等；故障診斷記錄表主要用于記錄診斷時間、診斷編號、診斷部位以及設備的運行狀態；操作記錄表用于記錄操作人員的操作步驟及操作行為，避免出現操作人員的惡意篡改；截割部故障診斷記錄表主要用于存放算法診斷情況，對數據進行記錄。

利用軟件進行系統實現，系統的開發選用windos2017 64 位機，處理器為因特爾I5-3230M CPU，設備容量為500 GB，運行內容為8 GB，開發工具選用Matlab2017a，以此完成故障診斷系統的設計，對數據的讀取、故障診斷、數據預處理及截割部故障診斷進行相應測試。

通過對采煤機截割部故障診斷系統進行檢驗發現，在讀入數據模塊能夠正常進行，同時檢測數據能夠以折線圖形式顯示；數據預處理模塊能夠正常獲得主成分，同時展示貢獻率直方圖；截割部故障診斷模塊能夠正常顯示Adaboost 集成學習算法故障模型機非線性邏輯回歸診斷模型；操作記錄模塊能夠記錄正常操作過程，當用戶出現非法操作時，系統會記錄并標記異常；故障診斷模塊能夠正常接收診斷結果。綜合而言，采煤機截割部軸承故障診斷系統能夠滿足期望要求，滿足礦井生產需要。

3 結語

為了避免由于采煤機截割部軸承故障導致設備磨損大、壽命降低的情況，設計了一款采煤機截割部軸承故障診斷系統，首先對設計的技術可行性及經濟效益性進行分析，確定了設計的必要性，同時根據設計需求設計了系統的讀入數據模塊、故障診斷模塊、數據預處理模塊、操作記錄模塊及截割部故障模塊五大模塊，最后對設計的采煤機截割部軸承故障診斷系統進行測試，發現故障診斷系統能夠滿足設計期望要求。