礦井提升機遠程故障診斷方法研究

吳晶晶

摘 要： 礦井提升機在煤礦生產中擔任著重要的角色，是煤礦安全監控的關鍵設備之一。建立完善的多礦井提升機集中狀態監測和故障診斷系統，對保證煤礦安全生產具有重要的意義。本文以提升機機械傳動系統和制動系統為主要研究對象，設計了礦區內多個提升機的綜合遠程監測與故障診斷系統。利用企業內部局域網和互聯網建立遠程監測系統，解決了傳統提升機監測方式存在的人力資源消耗大、遠程專家無法及時協助診斷等問題，提高了礦井安全生產水平和管理效率。

關鍵詞：礦井提升機 ? ?遠程監測 ? ?故障診斷

中圖分類號：TD534 文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1003-9082（2016）01-0004-01

在科學技術迅猛發展的今天，煤礦企業為了使利益最大化而不斷的擴大生產規模，這對煤礦機械設備的可靠性和穩定性提出了更高的要求[1]。礦井提升機作為煤礦生產的重要運輸設備，是煤炭、矸石、物料、人員等進出礦井的載體，具有“煤礦咽喉”之稱，其安全高效的運行是礦工生命安全和煤礦安全生產的重要保證[1]。受現有監測技術水平、設備管理理念及現場操作等諸多因素的限制和影響，提升事故仍然是煤礦安全事故中發生次數較多的事故類型之一[2]。因此，提升機設備安全運行越來越受到重視，對其進行狀態監測與故障診斷是十分必要的。

一、提升機故障機理分析

礦井提升機系統主要由機械傳動系統、制動系統、潤滑系統、拖動控制和自動保護系統、觀測和操作系統、外加輔助部分等組成[3]。本文主要以機械傳動系統和制動系統為主要研究對象。

提升機機械傳動系統屬于復雜的旋轉機械系統，主要由電動機、減速器、滾筒、天輪等組成。通過分析旋轉機械各零部件的故障比例可知，轉子及其組件的故障比率最大，齒輪和軸承分別占60%和20%。轉子作為設備的核心部件，其工作狀態很大程度上決定了礦井提升機的運轉狀態，因此直接監測轉子獲得振動信號對于故障監測更加直接有效[4]。

制動系統主要包括制動器和傳動機構，通過作用于制動盤上的制動力矩對制動力進行調控，實現提升機的正常停車、工作制動和緊急制動。目前，大多數礦井提升機采用液壓盤式制動器作為機械制動裝置，其控制系統主要由電控裝置、液壓站和盤式制動器組成。

每臺提升機根據其需求制動力的大小配置相應數量的盤式制動器，一般成對使用。盤式制動器通過閘瓦沿軸向從兩側壓向制動盤而產生阻礙制動盤轉動的摩擦力矩，從而產生制動力，正常情況下制動器具有開閘和制動兩種狀態。

二、信號采集系統設計

通過分析提升機制動系統和機械系統的故障機理和故障特征，確定監測信號的現場采集方案，信號采集系統如圖1所示。針對提升機設備的制動系統和機械傳動系統不同的監測參數選擇相應的傳感器，傳感器采集信號經過信號調理后轉換為標準電壓信號傳輸給數據采集卡，然后進入上位機進行數據的進一步信號處理。考慮到現場監測站要接入整個提升機遠程監測系統中，必須具備網絡接口且應用程序具備數據網絡傳輸的功能，將需要傳輸的數據以一定的格式發布到網絡當中。

圖1 信號采集系統結構框圖

三、狀態診斷方法研究

Hilbert-Huang變換方法是首先利用EMD方法把原始信號分解為多個相互獨立的本征模態函數分量的和，再將Hilbert變換應用于各個IMF分量得到瞬時頻率和振幅，進而求取信號的Hilbert譜和Hilbert邊際譜，得到振幅-頻率-時間的分布，反映出系統的狀態特性。

為了使HHT方法更適用于工程實際中的信號分析，必須采取措施對HHT時頻分析方法進行改進，以保證信號的分解質量和時頻分析結果的準確性。HHT存在的主要問題有模態混疊、端點效應、虛假IMF分量等。對于模態混疊問題，本文采取對策的為進行原始信號的小波域閾值消噪，將噪音等異常事件剔除，降低模態混疊的可能性。

實際工程中采集的信號不能保證為整周期信號，信號端點也不能保證為極值點，本文采用包絡極值延拓法對信號進行延拓，方法如下：

假設對連續信號x（t）進行采樣，以時間間隔為，得到的離散信號X（t）具有M個極大值和N個極小值。

向左分別延拓兩個極大值和極小值點，其位置（Tm，Tn）和函數值（U，V）表示為：

對延拓后的極大值序列和極小值序列，仍然利用三次樣條曲線擬合，信號的上、下包絡線表示為：

圖2 IMF2右端分解效果對比圖

為了進一步研究信號延拓方法對端點效應的改善效果，將兩種信號延拓方法得到的分量端點曲線和Hilbert譜進行對比。以IMF2分量右端為例，如圖2，可以看出基于包絡極值延拓的EMD方法比基于鏡像閉合延拓的EMD方法分解結果更接近理論曲線，即對端點效應的抑制作用更為明顯，更能反映出原始信號的特征。

結束語

文章通過對礦井提升機的整體結構和工作原理入手，分析了礦井提升機系統中的兩大故障機理。根據故障的位置和類型，建立了信號采集和傳輸系統，通過對所采信號的處理實現遠程狀態診斷。為了使診斷結果更加準確，提出了改進的HHT方法，并分析了所提方法的有效性。

參考文獻

[1]栗帥. 礦井提升機遠程狀態監測與智能故障診斷研究[J]. 企業技術開發， 2015（03）：109-110.

[2]石瑞敏， 楊兆建. 網絡化礦井提升設備管理系統設計與應用[J]. 煤炭科學技術， 2015（03）：77-81.

[3]付貴祥， 周紅軍， 何莉. 礦井提升機群遠程智能測控系統研究[J]. 工礦自動化， 2014（07）：103-105.

[4]鄭洪強， 喬鐵柱， 滿壯.基于GPRS和神經網絡的礦井提升機遠程監測預警技術研究[J]. 煤礦機械， 2014（01）：197-199.