基于滑油磨粒監(jiān)測(cè)的煤礦機(jī)械磨損故障預(yù)警

王 超，周俊麗

（國(guó)家能源神東質(zhì)量技術(shù)檢測(cè)檢驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

目前礦用設(shè)備管理多采用傳統(tǒng)的日常點(diǎn)巡檢和事后維修相結(jié)合的方式，該方式存在重要機(jī)械部件缺乏有效監(jiān)測(cè)手段，無(wú)法準(zhǔn)確掌握重點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備日常維護(hù)缺少數(shù)據(jù)支撐，存在維護(hù)盲點(diǎn)；設(shè)備點(diǎn)檢可能不及時(shí)；設(shè)備點(diǎn)檢工作繁重，需要較大的人力資源成本投入，且巡檢難度大；日常設(shè)備點(diǎn)巡檢對(duì)點(diǎn)檢人員存在安全風(fēng)險(xiǎn)；設(shè)備檢修后缺少客觀數(shù)據(jù)對(duì)檢修狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估等問(wèn)題。基于搭建的礦井下旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井下設(shè)備的振動(dòng)和溫度狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)多起設(shè)備潛在的機(jī)械故障，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)跟蹤的情況合理的制定設(shè)備運(yùn)行維護(hù)措施，成功的避免多設(shè)備的非計(jì)劃停機(jī)，為企業(yè)帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益。

油液是能動(dòng)設(shè)備的血液，感知磨損這一逐漸發(fā)展過(guò)程所攜帶的信息，井下旋轉(zhuǎn)類設(shè)備在使用過(guò)程中，會(huì)發(fā)生因其潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)部件磨損引起的故障。這些故障會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備在正常壽命期的使用。對(duì)滑油進(jìn)行采樣分析，根據(jù)滑油中攜帶的磨粒信息，判明磨損狀態(tài)，確定是否換油和維修，及時(shí)采取措施是當(dāng)前進(jìn)下設(shè)備維護(hù)所急需的技術(shù)之一。

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)滑油蘊(yùn)含的多信息進(jìn)行在線獲取，并結(jié)合工況因素及拆檢信息進(jìn)行故障特征的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)磨損故障異常預(yù)測(cè)方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)及磨損故障進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)。

1 井下減速機(jī)軸承的磨粒在線監(jiān)測(cè)

采用在線磨粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)磨粒信息進(jìn)行獲取，原理（圖1），通過(guò)一種安裝于減速箱滑油（圖2）系統(tǒng)管路的油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖3），能在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)滑油中攜帶的磨粒信息，通過(guò)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化來(lái)對(duì)油液的變化過(guò)程做出記錄和分析。

1.1 滑油監(jiān)測(cè)部分組成及結(jié)構(gòu)

圖1 在線磨粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

圖2 應(yīng)用對(duì)象

圖3 滑油監(jiān)測(cè)箱體

系統(tǒng)主要包括：取樣部分、信號(hào)采集控制部分、數(shù)據(jù)傳輸和管理部分；取樣部分將采集器的信號(hào)采集，通過(guò)電纜輸入信號(hào)采集控制部分進(jìn)行信號(hào)處理傳輸，數(shù)據(jù)傳輸和管理部分通過(guò)下位機(jī)和上位機(jī)之間的通信及上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)輸出

（1）采集頻率1～10 min/條、取樣量50～100 ml/環(huán)節(jié)、系統(tǒng)壓力＜0.5 MPa，功率＜500 W、流速50～1000 mL/min。

（2）數(shù)字圖像壓縮存儲(chǔ)比。

（3）油液磨粒濃度監(jiān)測(cè)范圍：＞5 PPM。

（4）磨粒分辨率：5 μm。

（5）磨粒圖像采樣幀率：30 f/s。

（6）數(shù)字圖像存儲(chǔ)容量：＞1000 幅。

（7）小磨粒有效尺寸5～100 μm，大磨粒尺寸100～500 μm。

（8）信號(hào)類型：數(shù)字格式磨粒圖像（圖5）。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 監(jiān)測(cè)輸出譜片

2 動(dòng)態(tài)信息下的異常磨損預(yù)警

2.1 磨粒監(jiān)測(cè)結(jié)果

采用2018年9月18日到2018年12月7日進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)獲取，主要參數(shù)包括IPCA 值、磨粒圖像、表征信息提取等相關(guān)數(shù)據(jù)共計(jì)18 275 條，由于周期內(nèi)設(shè)備工作工況相對(duì)穩(wěn)定，因此清洗后數(shù)據(jù)按照同一工況進(jìn)行趨勢(shì)分析及特征提取。周期內(nèi)IPCA 曲線如圖6、圖7 所示，正常磨損圖片如圖8 所示，異常磨損圖片如圖9 所示，異常磨損磨粒圖片如圖10 所示，突破告警值時(shí)間段見(jiàn)表1。

圖6 周期內(nèi)IPCA 值變化

圖7 周期內(nèi)IPCA 值異常變化

圖8 正常磨損圖片數(shù)據(jù)

圖9 異常磨損圖片數(shù)據(jù)

圖10 異常磨損磨粒圖片數(shù)據(jù)

表1 突破告警值時(shí)間段

2.2 磨粒與振動(dòng)信號(hào)對(duì)比結(jié)果

磨粒濃度發(fā)生異常3 h 后，以10月9日數(shù)據(jù)為例進(jìn)行比對(duì)，電機(jī)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)開(kāi)始響應(yīng)反饋。設(shè)備高速軸輸入端高頻測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值約為15 m/s2（圖11）；隨著設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的持續(xù)劣化，到10月9日16：30 左右磨粒濃度IPCA 值突破1.8 %，磨粒直徑部分超過(guò)250 μm（前期50 μm 以內(nèi)）同時(shí)高速軸輸入端高頻測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值約為110 m/s2，相較上線時(shí)的振動(dòng)上升了約735 %；10月10日后設(shè)備振動(dòng)劣化趨勢(shì)開(kāi)始加劇，建議現(xiàn)場(chǎng)可以準(zhǔn)備備品備件，待設(shè)備振動(dòng)趨勢(shì)出現(xiàn)急劇劣化時(shí)停機(jī)檢修；到設(shè)備常規(guī)停機(jī)前，高速軸輸入端高頻測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值約為171.4 m/s2（圖11），相較10月9日的振動(dòng)上升了約1100%；停機(jī)后對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆解檢修。

2.3 拆機(jī)檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)的磨粒特征變化、監(jiān)測(cè)對(duì)象振動(dòng)值變化、監(jiān)測(cè)對(duì)象拆解照片進(jìn)行對(duì)比映射，磨粒濃度值及單磨粒直徑異常變化時(shí)振動(dòng)值也會(huì)隨之響應(yīng)，拆解后磨損剝落現(xiàn)象也能夠看出運(yùn)行過(guò)程中磨損的狀態(tài)變化。其研究結(jié)果能夠驗(yàn)證油液監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果與運(yùn)行工況特性變化的一致性。另外拆解后的軸承表面及滾道異常磨損也是和上述結(jié)果相吻合的（圖12）。

圖11 振動(dòng)監(jiān)測(cè)變化趨勢(shì)

圖12 拆解后異常磨損照片

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)神東煤炭集團(tuán)公司井下旋轉(zhuǎn)設(shè)備的磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備磨損故障的提前發(fā)現(xiàn)及預(yù)警，主要結(jié)論如下：

（1）針對(duì)神東煤礦設(shè)備的實(shí)際工況，結(jié)合油液監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，提出應(yīng)用于設(shè)備異常磨損識(shí)別的監(jiān)測(cè)裝置。

（2）針對(duì)神東煤炭集團(tuán)公司的生產(chǎn)實(shí)際和設(shè)備特點(diǎn)，構(gòu)建基于磨粒濃度監(jiān)測(cè)的異常磨損識(shí)別方法。

（3）運(yùn)用關(guān)聯(lián)性研究方法驗(yàn)證基于滑油監(jiān)測(cè)信息提取的煤礦井下減速機(jī)軸承磨損故障預(yù)警方法的可行性，實(shí)現(xiàn)基于滑油磨粒信息提取的設(shè)備異常磨損識(shí)別，提高油液分析結(jié)果判斷準(zhǔn)確性和全面性，同時(shí)節(jié)約分析成本。

（4）通過(guò)重點(diǎn)煤礦設(shè)備關(guān)鍵部件磨損監(jiān)測(cè)分析案例，為基于油液分析技術(shù)的大型煤礦設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供參考。