采煤機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測與識別系統(tǒng)

（山東省三河口礦業(yè)有限責(zé)任公司 山東 277600）

引言

20世紀(jì)70年代我國開啟了綜合機(jī)械化采煤的新時(shí)代，2005年我國首個(gè)全自動綜采工作面開始生產(chǎn)，如今，綜合機(jī)械化采煤已在各大礦區(qū)得到廣泛使用[1-3]。綜采適用性較廣，可開采厚煤層、中厚煤層以及薄煤層。采煤機(jī)是綜采工作面的核心機(jī)械設(shè)備之一，在綜采過程中擔(dān)負(fù)著截割切煤的首要任務(wù)，其健康狀態(tài)直接影響著整個(gè)礦井的生產(chǎn)效率[4]。一旦采煤機(jī)發(fā)生故障會導(dǎo)致極大的損失，可見，構(gòu)建采煤機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測與識別系統(tǒng)具有重要的工程價(jià)值[5]。

1.采煤機(jī)結(jié)構(gòu)及常見故障

(1)采煤機(jī)結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)自發(fā)明以來已經(jīng)歷過多次更新?lián)Q代，從最早的普通機(jī)械化采煤機(jī)到現(xiàn)在的智能化全自動采煤機(jī)，其機(jī)械化和智能化水平已有較大幅度的躍升。但究其本質(zhì)而言采煤機(jī)仍然由5大部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)圖

可將圖1中采煤機(jī)的不同單元和機(jī)構(gòu)劃分以下5大部分：

①截割單元

截割單元的主要任務(wù)是完成煤炭的切割滾落，是名副其實(shí)的核心單元，截割單元由截割滾筒、電機(jī)、搖臂等部件組成，其中截割電機(jī)提供動力，搖臂調(diào)整截割位置，滾筒完成截割落煤。

②控制機(jī)構(gòu)

采煤機(jī)在截割落煤的過程中必須按照一定的指令完成工作，如啟動、停止、調(diào)速、調(diào)位等，控制機(jī)構(gòu)便是通過操控臺按鈕發(fā)出以上指令，保證采煤機(jī)按既定狀態(tài)工作。

③牽引單元

采煤機(jī)在工作面每切完一刀煤，需要重新返回，以便進(jìn)行下一刀的切煤工作，采煤機(jī)在工作面的往復(fù)運(yùn)動是由牽引單元提供。牽引速度和牽引力是采煤過程中的兩個(gè)重要參數(shù)，可通過牽引調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

④液壓機(jī)構(gòu)

液壓機(jī)構(gòu)由油泵、液壓管路、電機(jī)等部件構(gòu)成，采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的主要功能是調(diào)整搖臂位置，同時(shí)，也可對牽引速度和牽引力進(jìn)行調(diào)整，主要以液壓油為動力媒介。

⑤輔助裝置

為更好的保證采煤機(jī)的安全運(yùn)行，以及保護(hù)工作人員的健康，采煤機(jī)上設(shè)置了供水降塵、過載保護(hù)等一系列的安全裝置。

(2)采煤機(jī)常見故障

煤礦開采作為特種行業(yè)的原因之一在于其工作空間為地面之下，工作環(huán)境較為惡劣，危險(xiǎn)源種類較多。采煤機(jī)作為一線設(shè)備常年運(yùn)行在具有煤塵、地下水、瓦斯、火災(zāi)等潛在威脅的環(huán)境中，影響采煤機(jī)的健康狀態(tài)，使得采煤機(jī)發(fā)生各類故障。常見的采煤機(jī)故障可分為以下幾類：

①機(jī)械故障

采煤機(jī)的機(jī)械部件受環(huán)境因素及荷載、振動的影響在運(yùn)行過程中易產(chǎn)生磨損、脫落松動、銹蝕、斷裂等故障，如采煤機(jī)滑靴損壞、截齒斷裂、軸承松動等。

②電氣故障

電氣系統(tǒng)具備過熱、過載保護(hù)、啟動、停止等功能，是采煤機(jī)運(yùn)行的重要保障。常見的電氣設(shè)備故障主要有電氣部件過熱、電氣部件失靈、信號故障、電動機(jī)變頻器故障等。

③液壓故障

液壓系統(tǒng)可為搖臂和牽引部提供動力，液壓系統(tǒng)的常見故障有管路破損、油壓不穩(wěn)定、油液污染粘度下降、油溫過高等。

針對采煤機(jī)各系統(tǒng)的常見故障，設(shè)置合適的監(jiān)測參數(shù)，由此來評估采煤機(jī)的健康狀態(tài)。采煤機(jī)的主要監(jiān)測參數(shù)有：電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻水壓力、液壓油壓力、液壓油溫度、液壓油余量、工作電壓、電流等。

2.采煤機(jī)健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系構(gòu)建

采煤機(jī)健康等級劃分對于健康狀態(tài)評估十分關(guān)鍵，目前，對設(shè)備健康狀態(tài)的評估及等級劃分，仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。等級劃分的數(shù)量及名稱千變?nèi)f化。對于采煤機(jī)來說，其健康等級劃分不宜過于簡單，如采用“是非制”劃分采煤機(jī)健康等級，評估系統(tǒng)只能評判出采煤機(jī)是否處于健康狀態(tài)，不利于對采煤機(jī)健康的準(zhǔn)確評價(jià)，影響后續(xù)檢修工作。采煤機(jī)健康等級劃分也不宜過多，造成不必要的資源損耗。本文采用傳統(tǒng)的五分法將采煤機(jī)的健康狀態(tài)劃分為5個(gè)等級，即：健康、良好、一般、劣化、故障。

采煤機(jī)健康狀態(tài)指標(biāo)體系的構(gòu)建目前也沒有統(tǒng)一理論，本文結(jié)合層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)法構(gòu)建采煤機(jī)健康指標(biāo)體系。其構(gòu)建流程如圖2所示，首先采集采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)，通過設(shè)置的閾值截獲出不同參數(shù)的異常次數(shù)，之后通過層次分析和灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算權(quán)重和綜合關(guān)聯(lián)度，并將得到的關(guān)聯(lián)度向量按由大到小排序，由此，篩選出關(guān)鍵指標(biāo)，并構(gòu)建出采煤機(jī)健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系。

圖2 關(guān)鍵指標(biāo)體系構(gòu)建流程

3.采煤機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 采煤機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)

依據(jù)健康指標(biāo)評估體系，結(jié)合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，建立采煤機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)主要包含三層次，依次為：硬件層、傳輸層和應(yīng)用層。硬件層的主要功能是完成數(shù)據(jù)采集，傳輸層將采集到的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)服務(wù)器中，應(yīng)用層則通過計(jì)算機(jī)算法模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，并以可視化的形式將監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。

采煤機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)的詳細(xì)功能如下：

（1）采集信號，將采煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如牽引速度、牽引力、電機(jī)溫度、油溫等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)服務(wù)器。

（2）數(shù)據(jù)處理，采用計(jì)算機(jī)算法模型處理采集到的采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

（3）監(jiān)測預(yù)警，通過設(shè)定的預(yù)警閾值，判斷處理后的數(shù)據(jù)是否達(dá)到預(yù)警指標(biāo)，當(dāng)監(jiān)測值超過預(yù)警指標(biāo)時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)便發(fā)出預(yù)警提示，工作人員可及時(shí)處理預(yù)警信息，保障采煤機(jī)的安全運(yùn)行。

（4）工作日志，系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各類數(shù)據(jù)及預(yù)警記錄如預(yù)警時(shí)間、預(yù)警部位、預(yù)警次數(shù)等均以工作日志的形式存儲于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，方便隨時(shí)調(diào)用查詢。

（5）視頻監(jiān)控，對于預(yù)警部位，可在第一時(shí)間采用視頻監(jiān)控查看現(xiàn)場狀態(tài)，迅速掌握現(xiàn)場情況，為后續(xù)維檢提供可靠信息。

4.結(jié)論

（1）概述了采煤機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，總結(jié)了采煤機(jī)常見故障，并從機(jī)械故障、電氣故障及液壓故障等方面分析了常見故障類型。

（2）采用傳統(tǒng)的五分法將采煤機(jī)的健康狀態(tài)劃分為5個(gè)等級，即：健康、良好、一般、劣化、故障，結(jié)合層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)法構(gòu)建了采煤機(jī)健康指標(biāo)體系。

（3）依據(jù)健康指標(biāo)評估體系，結(jié)合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，建立了采煤機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包含三層次，依次為：硬件層、傳輸層和應(yīng)用層，并分析了健康監(jiān)測系統(tǒng)的詳細(xì)功能。