全斷面掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)研究

王 剛

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)公司，山西 晉中 032000）

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

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系監(jiān)測等級的確定

為了合理科學(xué)地選出監(jiān)測對象的監(jiān)測方案，通過項(xiàng)目建設(shè)人員的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該把監(jiān)測對象劃分出不同級別來管理。級別分為三個(gè)等級，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]。

表1 監(jiān)測對象等級劃分

1.2 全斷面掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測與健康管理系統(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：

圖1 全斷面掘進(jìn)機(jī)故障預(yù)測與健康管理結(jié)構(gòu)圖

1）在惡劣的施工環(huán)境下能夠正常工作；

2）能夠保證檢測數(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、預(yù)測的水準(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)測和預(yù)測提供數(shù)據(jù)的支持。將監(jiān)測參數(shù)匯總?cè)缦马摫? 所示。

表2 全斷面掘進(jìn)機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)

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

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

圖2 主電機(jī)振動(dòng)測點(diǎn)示意圖

2.1 主機(jī)溫度的監(jiān)測

一般監(jiān)測溫度使用的幅值分析法。該方法是把監(jiān)測數(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)行對比。檢測數(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)來對比實(shí)時(shí)的狀態(tài)，達(dá)到對監(jiān)測對象的實(shí)時(shí)監(jiān)管。采集時(shí)間為10 min/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

該系統(tǒng)對電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測和分析采用了振動(dòng)烈度分析法。首先在電機(jī)上設(shè)置多個(gè)測點(diǎn)，獲取測點(diǎn)的振動(dòng)加速度，然后對其進(jìn)行積分處理后得到各測點(diǎn)的振動(dòng)速度，以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對電機(jī)的振動(dòng)烈度進(jìn)行分析。振動(dòng)烈度等級可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO-2372進(jìn)行對比判斷，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測。振動(dòng)烈度是設(shè)備在測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)信號的樣本數(shù)目；vi為測點(diǎn)振動(dòng)速度。

利用檢測點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)技術(shù)參數(shù)對照標(biāo)準(zhǔn)ISO-2372，制定振動(dòng)等級分級表，如表3 所示。

表3 測點(diǎn)狀態(tài)振動(dòng)等級分級表

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，再根據(jù)測點(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：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)測模塊

狀態(tài)監(jiān)測主要完成對掘進(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)測中心導(dǎo)航欄功能按鈕，點(diǎn)擊欲查看的監(jiān)測項(xiàng)目，頁面右側(cè)會(huì)實(shí)時(shí)刷新監(jiān)測項(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)測模塊

健康預(yù)測模塊是對設(shè)備運(yùn)行健康情況的預(yù)估，完成對全斷面掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行健康情況的預(yù)測。健康預(yù)測模塊為提早發(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)測功能按鈕，根據(jù)菜單提示選取合適的預(yù)測指標(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。