煤礦機電設備管理中機械故障檢測診斷技術的應用

齊茂彬

摘要：故障檢測診斷技術是故障診斷、故障檢測的集成，可以提高煤礦機械故障處理效率，改善煤礦機電設備管理效果。因此，本文主要分析煤礦機電設備管理中機械故障檢測診斷原理，論述煤礦機電設備管理中常用的機械故障檢測診斷技術，并探究機械故障檢測診斷技術在煤礦機電設備管理中的應用，希望為煤礦機電機械故障檢測診斷實踐提供一些參考。

關鍵詞：煤礦；機電設備；機械故障；檢測；診斷

DOI：10.12433/zgkjtz.20240715

近年來，現代科技開始應用到煤礦開采領域。在煤礦開采過程中，機電設備的平穩有序運行是開采作業順利開展的保障，煤礦機電設備管理工作至關重要。將機械故障檢測診斷技術應用到煤礦機電設備管理中，可以優化煤礦機電設備管理機制，實現故障問題的及時發現、定位，為煤礦開采作業順利開展提供可靠的機械化環境。因此，探究機械故障檢測診斷技術在煤礦機電設備管理中的應用具有重要的現實意義。

一、煤礦機電設備管理中機械故障檢測診斷原理

機械故障檢測診斷主要以煤礦機電設備運行過程中產生的各種化學物理變化為對象，及時發現、準確定位設備問題的技術。機電設備運行過程中產生的各種化學物理變化包括振動、氣味、功耗、磨損、升溫、變形、噪聲等。

二、煤礦機電設備管理中常見機械故障檢測診斷技術

（一）磁通檢測

磁通檢測主要在信號強度達標情況下，對高壓電器故障進行檢測。因電流高次諧波對專業操作水平要求較高且方法高度復雜，需要專業人員根據規范操作。專業磁通檢測技術由電壓積分器、鎖相放大器、示波器、SQUID組成，根據可實測物理量的不同組合可獲得開環、閉環轉子磁鏈觀測模型。其中，以電壓、電流為觀測對象的開環觀測器主要根據定子電流與定子電壓檢測值估算，兼具結構簡單、操作便捷的特點，但檢測精度易受參數變化、外來干擾影響，特別是在低速度運轉時測量誤差隨著定子電阻壓降而覆蓋反電動勢，導致純積分環節誤差積累、漂移嚴重，檢測數據不穩定；而基于誤差反饋的轉子磁鏈閉環觀器，引入狀態誤差反饋有效提升檢測精度。

（二）局部放電檢測

局部放電檢測適用于高壓電器故障檢測，不適于低壓機電設備故障檢測。局部放電本質上是外加電壓在電氣設備內產生場強促使絕緣部分區域發生放電，其未在放電區域形成固定放電通道，與介質內部電場強度過高、介質表面電場強度過高直接相關，設備運行過電壓、諧波畸變、雷電波沖擊、絕緣材料內部破損、導體表面凸出、絕緣強度不足均會導致局部放電。基于此，可以利用超聲波檢測法或UHF（特高頻）檢測法、光測法、脈沖電流，進行機電局部放電檢測。UHF檢測主要是依據局部放電輻射電磁波信號在GIS內以接近光速傳播的特點，結合不同傳感器接收同一放電源信號時間差進行局部放電源位置的計算。

（三）在線故障診斷與檢測

在線故障診斷與檢測主要借助專門傳感器、計算機等部件檢測煤礦機電設備的主要構件，進而比照機電實際運行狀態與預測運行狀態完成機電故障診斷。在機電設備正常管理過程中，在線故障診斷與檢測技術應用可劃分為運行信號檢測、信號特征提取、運行狀態評估、故障結果輸出幾個過程。其中，運行信號檢測是借助聲光電壓等傳感器檢測煤礦機電設備運行信號，并將模擬信號轉換為數字信號；提取信號特征主要是保存信號中有價值的內容，特別是與機電故障存在聯系的信號；運行狀態評估主要是建立煤礦機電運行故障評估模型，辨識煤礦機電是否存在故障并劃分故障類別。

三、煤礦機電設備管理中機械故障檢測診斷技術的應用

（一）煤礦通風機

通風機是煤礦開采過程中專門用于通風的設備。針對煤礦通風機運行特點，可利用通風機集中在線故障診斷檢測儀，對通風機多功能接口、定時器、高速輸入/輸出接口、高效指令系統、中斷源、四通道A/D轉換器、中央處理器等進行檢測。例如，選擇DFC－KTF－3A通風機集中測試儀搭配耐低溫電纜（－25～80℃）、防潮信號轉接盒，依據《煤礦在主通風機系統安全檢測檢驗規范》（AQ1011）的相關要求，利用風杯法或靜壓靜壓差法、全壓靜壓差法進行檢測，設定檢測儀器參數如表1所示。

（二）礦用高壓異步電動機

1.絕緣局部放電檢測

礦用高壓異步電動機的絕緣介質長時間承受熱、機械應力、電等因素的干擾，易發生絕緣劣化，進而出現絕緣局部放電問題。因此，測量局部放電可評定礦用高壓異步電動機的絕緣狀況。根據礦用高壓異步電動機定子繞組中放電脈沖傳播特性，在線監測電動機局部放電信號。以礦用315kW/10kV三相異步電動機為例，定子槽數為90槽，槽內上下兩層均放置線棒，繞組每相60根線棒。在礦用315kW/10kV三相異步電動機局部放電監測時，利用數字存儲帶寬示波器觀察、記錄放電脈沖和響應脈沖，判定電動機定子繞組主絕緣完好性以及銅導線線棒、主絕緣之間是否存在氣隙放電。

具體檢測時，利用信號發生器向礦用315kW/10kV三相異步電動機定子A相繞組端部注入模擬激勵脈沖（頻率40～100MHz），以10MHz為一個檔位。同時，將示波器的CH1端接入電動機A相進線端，將示波器CH2端接入電動機B相進線端，同步記錄激勵脈沖、響應脈沖波形，并檢測信號經A、B兩相繞組后傳輸衰減情況。例如，模擬激勵脈沖頻率為40MHz時，利用ZSJF－9900局部放電綜合試驗儀檢測電動機局部放電，TEV測量參數如表2所示，經示波器CH1端測得模擬激勵脈沖峰值為2.08V，示波器CH2端測得模擬激勵脈沖峰值衰減至0.798V，僅為激勵脈沖的38.37%，衰減程度達61.63%，表明經A、B兩相繞組后響應脈沖在幅值上嚴重衰減，電動機絕緣層破損。

2.電流磁通檢測

電流磁通檢測是有效規避高低壓差異的檢測技術，在煤礦高壓異步電動機故障檢測中具有較廣闊的應用空間。具體操作期間，依據間接檢測思維，將電動機運行時產生信號經傳感器轉換為電壓信號，集中到數據采集卡等效電路內，完成電動機運行電流、電壓等物理量實測，在觀測模型內進行電動機氣隙磁鏈幅值、相位的實時計算，最終推算電流磁通結果。礦用高壓異步電動機的電磁計算模型如下：

（1）

其中，Te為礦用高壓異步電動機的磁通；np為高壓異步電動機極對數；Fs為定子磁勢矢量模值；Om為氣隙主磁通模值；Qr為定子磁勢空間適量與氣隙合成磁勢空間矢量之間的夾角。

（三）采煤機

采煤機故障檢測可選擇云服務自動故障檢測診斷系統，在線監測采煤機故障并在終端顯示設備故障類型。

以螺旋滾筒采煤機為例，采煤機內具有多個滾筒，在采煤過程中高速內向或外向旋轉，極易出現故障問題，如果維護不及時，將影響整個煤礦開采作業。一般螺旋滾筒采煤機故障檢測診斷可經內部溫度傳感器或壓力傳感器、流量傳感器反饋數據，經專業數據庫得出結果。在這個基礎上，為實現采煤機故障預知檢修，可以匯總采煤機常見故障現象及原因，將采煤機故障傳感器與云服務技術有機整合，經專家系統實現智能化診斷，減少采煤機故障檢測成本。云端診斷庫是采煤機故障診斷檢測的核心支撐，診斷層次模型結構如圖1所示。

由圖1所示，云服務螺旋滾筒采煤機診斷檢測系統模塊是基于云端服務的若干診斷子系統集成，系統核心為診斷知識庫、診斷方法層，其中診斷知識庫在專家系統已有經典診斷案例基礎上提取有價值診斷定理、模型、實例經驗以及最新機械故障診斷數據；診斷方法層則是以一定格式描述煤礦生產規則，利用IF Condition THEN Result表示診斷邏輯。螺旋滾筒采煤機狀態判斷標準如下：

（2）

其中，EA表示螺旋滾筒采煤機處于良好狀態；As為螺旋滾筒采煤機實際幅值；Am為螺旋滾筒采煤機允許振動幅值；EB表示螺旋滾筒采煤機處于預警狀態；EC表示螺旋滾筒采煤機處于輕微故障狀態；ED表示螺旋滾筒采煤機處于嚴重故障狀態。根據公式（1），可以設定煤礦生產中螺旋滾筒采煤機狀態判定邏輯規則為：

Rule：IF{As＜0.8Am}，THE“EA”；

Rule：IF{0.8Am≤As＜1.15Am}，THE“EB”；

Rule：IF{1.25Am≤As＜1.75Am}，THE“EC”；

Rule：IF{1.75Am≤As＜2.3Am}，THE“ED”。

根據上述規則，可以進行螺旋滾筒采煤機轉子故障、潤滑故障、軸承故障特性的逐一描述，例如，利用轉子時域狀態、振動方向（軸向/徑向）、軸心軌跡以及介質溫度、流量、壓力、油溫、轉速、負荷等要素進行轉子振動故障的模糊描述，進而將模糊描述至輸入專家系統，在線診斷故障類型。

（四）礦用提升機

礦井提升機是煤礦安全生產的保障。在煤礦開采過程中，礦用提升機易出現部分參數超出正常水平等軟故障。基于此，針對礦井提升機軟故障進行檢測。檢測時，在礦井提升機天輪軸或導向輪軸上，沿軸向布置無線應力傳感器，經無線應力傳感器采集軸上應力應變信號，并借助無線信號接收裝置向工控機傳遞信號。工控機內運行故障檢測模塊可識別應力應變信號的波谷、波峰，輸出實時提升速度與容器深度、時間關系，進而根據應力應變信號與提升荷載關系進行換算，獲得煤礦提升機實時提升荷載，最終根據煤礦提升機設計給定提升速度、深度指示與額定荷載判定設備是否存在松繩、過卷、卡罐、打滑、過載等現象。

以煤礦提升機內部斷繩故障檢測診斷為例，設備斷繩故障可視為機械、電氣疊加故障，涉及因素較多，直觀檢測難度較大。因此，可以借助壓力流量與溫度一體化便攜檢測儀，采集提升繩壓力信號，并將信號存儲到計算機，為功能性故障診斷提供依據。如果無法適用便攜檢測儀，檢測人員需要在現場開展提升機短繩試驗。

具體操作時，將制動繩卡繩器（緩沖器）數據輸送到專家系統端，經專家系統判定制動繩卡繩器是否牢固可靠性，并經后臺記錄數據。隨后在煤礦井口搭設罐籠緩沖平臺，設置臨時吊裝副繩，經臨時吊裝副繩將罐籠提升到井口以上1.5m位置，在井口封口盤主梁位置緊密設置6根H型鋼，H型鋼與井口連接位置水平放置枕木，并利用8#鐵絲牢固捆扎枕木、H型鋼，枕木上分層設置緩沖帶（舊汽車外胎），經鐵絲牢固捆扎緩沖帶、枕木。緩沖帶設置完畢后，選擇井塔頂部主梁上一點作為固定罐籠輔助副繩，在緩沖帶上方放置空罐籠，緩慢輸送輔助副繩觀察抓捕器動作是否以及抓緊程度。如果抓捕器未動作或動作程度顯著不足，立即檢查罐籠頂部彈簧及其傳動件，調整罐籠頂部彈簧傳動件靈活性。確定各部件動作可靠后，在罐籠座上放置罐籠，借助木樁加固罐籠四角，將罐籠提升至距離緩沖器600mm位置，借助輔助副繩懸吊罐籠并記錄制動繩位置。隨后放松主提升繩4m±1m，割斷副繩、罐籠之間連接鋼環，促使罐籠自由向下墜落至平穩狀態，測量罐籠在制動繩上滑行距離并記錄，根據記錄結果，判定提升機制動繩是否存在斷繩故障。

此外，對于大型提升機突發性故障，可利用智能故障診斷技術，將專業知識與科學理論相結合，詳細分析煤礦提升機內部斷繩故障診斷誤差估計結果，有針對性的提高故障診斷效率。

四、結語

綜上所述，機械故障檢測診斷技術是煤礦機電設備管理中的重要技術，以物理學、摩擦學、動力學技術為支撐，準確定位煤礦機電設備故障。因此，根據煤礦開采用高壓異步電動機、通風機、采煤機、礦井提升機運行情況，可以恰當利用磁通檢測、局部放電檢測、在線故障診斷與檢測等技術，提高煤礦機電設備故障檢測效率，及時采取煤礦機電設備故障控制措施，為煤礦開采作業安全推進提供保障。

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作者簡介：齊茂彬（1990），男，山東省棗莊市人，2012年畢業于山東科技大學，電氣工程及其自動化專業，本科，工程師，主要研究方向為機電設備管理。