掘進機故障預測與健康管理系統(tǒng)探究

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摘要：分析了主電機、主變速箱、主軸承以及液壓系統(tǒng)的常見故障，結合大量國內(nèi)外文獻知識，完成了全斷面掘進機故障預測和健康系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)集電子化和信息化的技術，實現(xiàn)了掘進機重要部件監(jiān)測、預測的動態(tài)管理，提升了掘進工作的效率，為保障煤礦生產(chǎn)安全提供了良好的技術支撐。

關鍵詞：全斷面掘進機故障診斷管理

1全斷面掘進機故障預測與健康管理系統(tǒng)的結構

1.1系統(tǒng)結構體系監(jiān)測等級的確定

為了合理科學地選出監(jiān)測對象的監(jiān)測方案，通過項目建設人員的經(jīng)驗，應該把監(jiān)測對象劃分出不同級別來管理。級別分為三個等級，分別用A、B、C來表示。其中，A表示核心設備，B表示主要設備，C表示一般設備，表1中顯示了詳細的劃分[1-3]。

1.2全斷面掘進機故障預測與健康管理系統(tǒng)的構成

全斷面掘進機故障預測與健康管理系統(tǒng)是由兩部分組成的，一部分是硬件系統(tǒng)，另一部分是軟件系統(tǒng)。其組成如圖1所示。系統(tǒng)應滿足以下的限制：1）在惡劣的施工環(huán)境下能夠正常工作；2）能夠保證檢測數(shù)據(jù)的實時傳輸，清晰直接地查看數(shù)據(jù)走向。

1.3系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)的確定

系統(tǒng)功能最根本的要求是數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集的前提是明確監(jiān)測數(shù)據(jù)。全斷面掘進機設備內(nèi)部自帶數(shù)據(jù)的采集，由于其結構原因，自身的數(shù)據(jù)采集只可以收集重要設備的數(shù)據(jù)[4]，不能夠達到監(jiān)測、預測的水準。所以我們要在設備上安裝傳感器，以便獲取機器運行時的全部參數(shù)，為監(jiān)測和預測提供數(shù)據(jù)的支持。將監(jiān)測參數(shù)匯總如下頁表2所示。

2全斷面掘進機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計

全斷面掘進機需要進行的監(jiān)測目標過多，我們就以主電動機為分析對象[5]。監(jiān)測的方式一般依靠溫度和振動監(jiān)測來實現(xiàn)，而機帶傳感器是收集溫度的主要設備，振動信號的收集必須由外加的傳感器來收集。其振動信號測點分布如下頁圖2所示。

2.1主機溫度的監(jiān)測

一般監(jiān)測溫度使用的幅值分析法。該方法是把監(jiān)測數(shù)據(jù)和預報數(shù)據(jù)按時間序列進行整理，然后進行對比。檢測數(shù)據(jù)是以前的工作數(shù)據(jù)，預報數(shù)據(jù)是實時的數(shù)據(jù)。將新老數(shù)據(jù)進行對比，將不同時間的數(shù)據(jù)進行分析。再依據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算出上下控制限[6]。在波形圖中畫出上下控制限，以此為標準來對比實時的狀態(tài)，達到對監(jiān)測對象的實時監(jiān)管。采集時間為10min/次，其流程如下：1）先確定初始值，確定的標準是利用歷史數(shù)值內(nèi)的100個溫度值計算出上下控制限。2）收集當前的實時溫度，與確定的初始上下限對比，將該溫度數(shù)據(jù)添加到總數(shù)內(nèi)，去除最先選取的歷史數(shù)據(jù)，保持溫度值個數(shù)100，再算出最新的上下限。3）參照科學的方法分析實時溫度數(shù)據(jù)，判斷主電機運行的狀態(tài)[7]。4）將第二步和第三步按順序反復進行，一直持續(xù)到收集工作結束。

2.2主機振動的監(jiān)測

該系統(tǒng)對電機振動狀態(tài)的監(jiān)測和分析采用了振動烈度分析法。首先在電機上設置多個測點，獲取測點的振動加速度，然后對其進行積分處理后得到各測點的振動速度，以此為基礎數(shù)據(jù)對電機的振動烈度進行分析。振動烈度等級可以根據(jù)標準ISO-2372進行對比判斷，從而實現(xiàn)主機振動狀態(tài)的監(jiān)測。振動烈度是設備在測量位置和方向上振動速度的均方根值中的最大值。其表達式為：式中：N為振動信號的樣本數(shù)目；vi為測點振動速度。利用檢測點振動狀態(tài)技術參數(shù)對照標準ISO-2372，制定振動等級分級表，如表3所示。表3中根據(jù)振動烈度將振動狀態(tài)分為A、B、C、D四個等級，再根據(jù)測點振動狀態(tài)數(shù)據(jù)計算出速度均方根，與表3進行比對：A代表設備無損傷，振動狀態(tài)良好；B代表設備產(chǎn)生微小震動，但可長期運行；C代表設備只能在短期內(nèi)運行，盡快采取維修措施；D代表振動過大，已經(jīng)達到設備損壞的臨界點，需要立刻停機檢修。

3掘進機健康管理系統(tǒng)的應用效果

3.1狀態(tài)監(jiān)測模塊

狀態(tài)監(jiān)測主要完成對掘進機設備的實時信息監(jiān)控，為用戶提供了數(shù)據(jù)信息了解接口，可通過面板了解當前設備的運行狀態(tài)。用戶可通過點擊面板左側的狀態(tài)監(jiān)測中心導航欄功能按鈕，點擊欲查看的監(jiān)測項目，頁面右側會實時刷新監(jiān)測項目具體信息[8]。該功能模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，通過該組件可及時將數(shù)據(jù)信息刷新到系統(tǒng)頁面當中。這樣用戶選擇的監(jiān)測子程序則不需要另外彈出顯示窗口，便能夠直接通過同一界面進行顯示，提升了系統(tǒng)的美觀性，數(shù)據(jù)更加清晰明了[9]。

3.2故障診斷模塊

故障診斷模塊同樣需要實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測相同的功能，其開發(fā)原理類似，用戶可點擊故障診斷按鈕，調出故障診斷信息。故障診斷功能模塊當中包含了主電機、主變速箱、主軸承以及設備液壓的故障信息[10]。

3.3健康預測模塊

健康預測模塊是對設備運行健康情況的預估，完成對全斷面掘進設備運行健康情況的預測。健康預測模塊為提早發(fā)現(xiàn)設備問題提供了技術基礎，將設備維護化被動為主動，實現(xiàn)了“早發(fā)現(xiàn)，早處理”，確保了生產(chǎn)秩序和安全。用戶可點擊系統(tǒng)下拉菜單中的健康預測功能按鈕，根據(jù)菜單提示選取合適的預測指標，系統(tǒng)會根據(jù)用戶輸入自動計算設備健康情況，并將預測結果以曲線圖的形成顯示在界面中，為設備維護人員下一步?jīng)Q策提供依據(jù)。用戶也可將健康預測結果下載至本地數(shù)據(jù)庫中，方便日后的調閱和查看。

作者:王剛 單位:山西汾西礦業(yè)集團南關煤業(yè)公司