設備健康管理系統在大型露天煤礦的應用探究

李永強

（神華新疆吉木薩爾能源有限責任公司，新疆昌吉831700）

0 引言

露天煤礦氣候條件復雜，大型機械設備較多，隨著設備使用年限不斷增加，故障頻發，給煤礦安全生產及檢修帶來了較大的問題。結合露天煤礦現場的實際情況，經過詳細研究，決定采用設備健康管理系統替代傳統維護手段。

設備健康管理系統整合了現代傳感器技術、無線通訊技術、物聯網技術、云計算等多項前沿科技，為煤礦機械設備實現智能監控，實時采集設備運行數據，并對傳動系統故障進行大數據分析，從而監測設備的健康狀態，發現設備的早期故障，預判關鍵零部件的殘余壽命等。基于上述原因，設備健康管理系統的應用勢在必行。

1 系統特點

（1）礦用采集站采用ARM+DSP雙核嵌入式系統，內置數據處理算法可以實時完成特征值的計算和傳輸。16通道2模擬量，最高采樣頻率200 kHz，8通道同步采樣，支持以太網、光纖、WiFi、聯通3G（WCDMA制式），工作溫度：40～70 ℃。

（2）遠程系統（圖1）包括：

1）數據采集層：設備表面安裝振動無線加速傳感器，傳感器通過M6轉接柱與磁座連接，通過專用金屬膠水將磁座與設備表面粘結。

2）應用層：當設備出現異常時，系統會自動觸發報警并通過短信、郵件等方式通知現場管理人員，系統根據報警信息對設備狀態進行專業分析，若設備出現損傷需要檢修維護，遠程診斷會提供專業診斷報告，為現場檢修提供依據。

3）展示層：采集單元獲取齒輪箱的振動數據后，將數據通過網絡傳輸至廠內大屏、PC端、手機APP。

圖1 遠程系統構架

（3）設備健康管理系統涉及設備全面，包括電機、減速器、各類軸承等大型機械，可診斷多種日常生產作業中常出現的機械故障，如：潤滑油是否污染、齒輪咬合故障、葉片故障、定子故障、不平衡、不對中等問題（圖2）。

圖2 涉及領域

2 系統基本組成

設備健康管理系統基本組成包括：采集站、傳感器、輔助硬件、軟件系統等。各設備的特點如下：

采集站分為有線采集站和無線采集站兩種（圖3），有線采集站智能模塊針對旋轉設備的特點，為設備的健康管理和故障診斷的信號而專門設計，具備8路振動、8路溫度、4路工藝量和2路轉速量等通道，可同時采集并檢測旋轉設備的多種信號；無線采集站針對現場測點較為分散、傳統在線系統線敷設不便而設計，安裝方便、快捷。

圖3 采集站

傳感器分有線傳感器單元及無線監測單元（圖4），有線傳感器單元低頻、高敏度，內置IEPE電路，隔離輸出，激光密封焊接采用軍用連接器，可用于環境惡劣的工業現場監測；無線監測單元是一種非常牢固、可靠的儀器，集傳感器、數據采集、數據傳輸于一體，不僅可以傳輸靜態數據（總值），還可傳輸動態數據（頻譜）至專業的分析軟件，使用Zigbee無線通訊協議，該協議簡單、可靠，為機泵群、風機群等關鍵設備提供了一種全新的監測方式。

輔助硬件包括礦用本安電源、基站、無線CPE、服務器、網絡交換機。礦用電源輸出功率50 W，EMC性能；無線基站純凈5 GHz頻段，傳輸距離達50 km，300M無線可外接不同類型天線，滿足多種傳輸要求；無線CPE，300 Mbps無線，內置高增益雙極化天線，提供高性能無線。

在線監測軟件系統（圖5），只需安裝在企業服務器上，客戶即可通過游覽器和客戶端程序訪問。系統采用SQL server數據庫，該系統軟件具有以下特點：

（1）數據保存方式靈活，采集的在線數據可以選擇使用同一個數據庫，也可配置多個在線歷史數據存儲的數據庫服務器。

（2）兼容各類在線監測站產品，可以進行各類在線監測站的添加、編輯與通道對應測點的配置，設置每臺監測站的數據自動采集時間間隔和數據保存策略。

（3）通過網絡關系自動上傳采集數據，采集數據棒圖和總值趨勢圖動態實時顯示。對當前監控的設備進行數據實時上傳，軟件自動監控、報警，同時技術人員對報警信息進行實時處理，軟件實時性很高，能夠保證對設備狀態的實時監測。

（4）支持設備自診斷異常統計功能。

（5）支持監測指標的報警設置，根據現場實際情況，設置報警的不同等級，達到不同報警等級，顯示不同的顏色，提醒用戶設備異常。

（6）提供豐富的數據分析功能，20余種分析工具，如時域波形、頻譜分析、階次分析、多時域波形、多頻譜分析、極坐標圖分析、瀑布圖分析等；同時具有獨特的設備參與壽命預測算法，能夠對設備的參與壽命進行較為準確的預測。

圖4 傳感器

圖5 軟件系統

3 系統對于礦山機械設備的應用價值

通過對設備健康管理系統的基本組成及特點進行分析研究，可以確認該系統在未來礦山機械設備中的應用是很有必要的。

（1）設備智能互聯。該系統可以針對設備易磨易損部件進行實時監控、診斷、分析、自動數據采集，并通過網絡傳輸至遠程監控中心，能夠定位故障點和預測故障發生的時間，監視有害發展趨勢，分析故障根源等，從而有效減少維護停機時間，提高生產效率。

（2）使用該系統可使煤礦企業真正實現設備維護成本最低、人員勞動強度最低，能夠大幅降低設備管理的難度，確保現場維修人員的工作環境更加安全可靠。

（3）該系統應用于大型礦山可以有效降低設備維修的盲目性，保障設備在生產過程中安全運行，減少機電事故的發生。

4 設備健康管理系統在露天煤礦機電設備中的應用效果

膠帶輸送機和破碎機作為大型露天煤礦的主要機電設備，承擔著煤礦生產及運輸的重任，其重要性不言而喻，很多煤礦也把日常檢修的重點放在了這些設備上，因此加強對這些設備的監控及管理是非常必要的。本文以膠帶輸送機和破碎機為主要研究對象，探討設備健康管理系統應用于大型露天煤礦主要設備的實際效果。

（1）某露天煤礦選煤廠主運輸膠帶啟機后，減速箱各個測點速度總值均出現上升，通過檢測畫面（畫面顯示的數據如表1所示）可以看到，以高速軸5H、輸出軸7V和輸出軸8H三個徑向測點最為顯著，主要為高速軸轉頻能量明顯上升導致，高速軸附近存在間歇性動靜摩擦。該故障屬于典型的不平衡效應，綜合數據分析認為引起不平衡的原因可能為液力耦合器渦輪軸承間隙增加，導致渦輪形成類似懸臂結構，表現出不平衡特征，同時渦輪與泵輪之間存在間歇性磨碰。系統提出維修建議：關注液力耦合器運行時振動情況，是否存在異響；排查液力耦合器渦輪軸承是否存在配合松動現象；準備備件，擇機更換液力耦合器。根據檢測系統提供的數據分析及維修建議，工作人員立即趕赴現場檢修液力耦合器故障，3 h后設備恢復正常運行。

表1 設備各測點數值

（2）某礦山雙齒輥破碎機在運行過程中齒輪箱振動較大，設備生產廠家維修人員通過傳統檢修手段檢查，并未找到具體問題。隨后專業人員利用該系統對齒輪箱進行了振動測試，以評估可能存在的故障。通過現場分析與比對，快速出具故障分析報告，提出可行性意見，測試設備高速軸和軸向振動加速度峰值分別為13g和8g（圖6），對比設備約為2.5g和3.5g；測試設備高速軸和軸向振動速度峰值分別為14 mm/s和15 mm/s（圖7），對比設備約為7.5 mm/s和11 mm/s；高速級嚙合頻率及其諧頻附近存在輕微的調劑邊帶，調劑頻率與高速級轉頻相符。

圖6 設備加速度對比圖

圖7 設備速度對比圖

監測系統設備狀態描述為齒輪箱高速級齒面嚙合不良，維修建議：檢查聯軸器對中情況，持續關注設備的振動趨勢變化。維修人員到達現場后，檢查聯軸器后發現軸承已嚴重磨損，導致了高速級齒面嚙合不良，設備振動較大，隨即更換了聯軸器，齒輪箱振動消除，設備正常生產運行。

設備健康管理系統在煤礦主要機電設備中應用的實際情況表明，該系統完全達到了預期的效果，可以快速精準地監測設備故障，并為現場檢修提出意見，應用穩定。

5 結語

設備健康管理系統作為一種新興的科技力量，給現代煤礦機電設備管理帶來了一種更先進的管理模式和管理理念，以機代人、裝備升級，從根源上杜絕了安全隱患的發生，為煤礦安全生產保駕護航。

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