掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)探究

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摘要：分析了主電機(jī)、主變速箱、主軸承以及液壓系統(tǒng)的常見故障，結(jié)合大量國內(nèi)外文獻(xiàn)知識(shí)，完成了全斷面掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測(cè)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)重要部件監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)管理，提升了掘進(jìn)工作的效率，為保障煤礦生產(chǎn)安全提供了良好的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：全斷面掘進(jìn)機(jī)故障診斷管理

1全斷面掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系監(jiān)測(cè)等級(jí)的確定

為了合理科學(xué)地選出監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)方案，通過項(xiàng)目建設(shè)人員的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該把監(jiān)測(cè)對(duì)象劃分出不同級(jí)別來管理。級(jí)別分為三個(gè)等級(jí)，分別用A、B、C來表示。其中，A表示核心設(shè)備，B表示主要設(shè)備，C表示一般設(shè)備，表1中顯示了詳細(xì)的劃分[1-3]。

1.2全斷面掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的構(gòu)成

全斷面掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測(cè)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(yīng)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(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，清晰直接地查看數(shù)據(jù)走向。

1.3系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)。全斷面掘進(jìn)機(jī)設(shè)備內(nèi)部自帶數(shù)據(jù)的采集，由于其結(jié)構(gòu)原因，自身的數(shù)據(jù)采集只可以收集重要設(shè)備的數(shù)據(jù)[4]，不能夠達(dá)到監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)的水準(zhǔn)。所以我們要在設(shè)備上安裝傳感器，以便獲取機(jī)器運(yùn)行時(shí)的全部參數(shù)，為監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)的支持。將監(jiān)測(cè)參數(shù)匯總?cè)缦马摫?所示。

2全斷面掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

全斷面掘進(jìn)機(jī)需要進(jìn)行的監(jiān)測(cè)目標(biāo)過多，我們就以主電動(dòng)機(jī)為分析對(duì)象[5]。監(jiān)測(cè)的方式一般依靠溫度和振動(dòng)監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)，而機(jī)帶傳感器是收集溫度的主要設(shè)備，振動(dòng)信號(hào)的收集必須由外加的傳感器來收集。其振動(dòng)信號(hào)測(cè)點(diǎn)分布如下頁圖2所示。

2.1主機(jī)溫度的監(jiān)測(cè)

一般監(jiān)測(cè)溫度使用的幅值分析法。該方法是把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)按時(shí)間序列進(jìn)行整理，然后進(jìn)行對(duì)比。檢測(cè)數(shù)據(jù)是以前的工作數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。將新老數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將不同時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。再依據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出上下控制限[6]。在波形圖中畫出上下控制限，以此為標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)比實(shí)時(shí)的狀態(tài)，達(dá)到對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)管。采集時(shí)間為10min/次，其流程如下：1）先確定初始值，確定的標(biāo)準(zhǔn)是利用歷史數(shù)值內(nèi)的100個(gè)溫度值計(jì)算出上下控制限。2）收集當(dāng)前的實(shí)時(shí)溫度，與確定的初始上下限對(duì)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(gè)數(shù)100，再算出最新的上下限。3）參照科學(xué)的方法分析實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，判斷主電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)[7]。4）將第二步和第三步按順序反復(fù)進(jìn)行，一直持續(xù)到收集工作結(jié)束。

2.2主機(jī)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)

該系統(tǒng)對(duì)電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析采用了振動(dòng)烈度分析法。首先在電機(jī)上設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，獲取測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度，然后對(duì)其進(jìn)行積分處理后得到各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度，以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)的振動(dòng)烈度進(jìn)行分析。振動(dòng)烈度等級(jí)可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO-2372進(jìn)行對(duì)比判斷，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。振動(dòng)烈度是設(shè)備在測(cè)量位置和方向上振動(dòng)速度的均方根值中的最大值。其表達(dá)式為：式中：N為振動(dòng)信號(hào)的樣本數(shù)目；vi為測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度。利用檢測(cè)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)技術(shù)參數(shù)對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)ISO-2372，制定振動(dòng)等級(jí)分級(jí)表，如表3所示。表3中根據(jù)振動(dòng)烈度將振動(dòng)狀態(tài)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，再根據(jù)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算出速度均方根，與表3進(jìn)行比對(duì)：A代表設(shè)備無損傷，振動(dòng)狀態(tài)良好；B代表設(shè)備產(chǎn)生微小震動(dòng)，但可長(zhǎng)期運(yùn)行；C代表設(shè)備只能在短期內(nèi)運(yùn)行，盡快采取維修措施；D代表振動(dòng)過大，已經(jīng)達(dá)到設(shè)備損壞的臨界點(diǎn)，需要立刻停機(jī)檢修。

3掘進(jìn)機(jī)健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用效果

3.1狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)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(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。用戶可通過點(diǎn)擊面板左側(cè)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中心導(dǎo)航欄功能按鈕，點(diǎn)擊欲查看的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，頁面右側(cè)會(huì)實(shí)時(shí)刷新監(jiān)測(cè)項(xiàng)目具體信息[8]。該功能模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示，通過該組件可及時(shí)將數(shù)據(jù)信息刷新到系統(tǒng)頁面當(dāng)中。這樣用戶選擇的監(jiān)測(cè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)相同的功能，其開發(fā)原理類似，用戶可點(diǎn)擊故障診斷按鈕，調(diào)出故障診斷信息。故障診斷功能模塊當(dāng)中包含了主電機(jī)、主變速箱、主軸承以及設(shè)備液壓的故障信息[10]。

3.3健康預(yù)測(cè)模塊

健康預(yù)測(cè)模塊是對(duì)設(shè)備運(yùn)行健康情況的預(yù)估，完成對(duì)全斷面掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行健康情況的預(yù)測(cè)。健康預(yù)測(cè)模塊為提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)，將設(shè)備維護(hù)化被動(dòng)為主動(dòng)，實(shí)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(diǎn)擊系統(tǒng)下拉菜單中的健康預(yù)測(cè)功能按鈕，根據(jù)菜單提示選取合適的預(yù)測(cè)指標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶輸入自動(dòng)計(jì)算設(shè)備健康情況，并將預(yù)測(cè)結(jié)果以曲線圖的形成顯示在界面中，為設(shè)備維護(hù)人員下一步?jīng)Q策提供依據(jù)。用戶也可將健康預(yù)測(cè)結(jié)果下載至本地?cái)?shù)據(jù)庫中，方便日后的調(diào)閱和查看。

作者:王剛 單位:山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)公司