礦井主通風機狀態監測與故障預警提升安全性的研究

＊王國棟

（山西焦煤集團公司官地煤礦通風科 山西 030000）

引言

礦井的通風系統保障著煤礦的安全生產，但是因為礦井內環境復雜，并且煤礦企業為節約成本使通風機的使用期限長，這些原因導致礦井通風機極易發故障。為了保障煤礦的安全生產、提升通風機的安全性，對礦井主通風機的狀態進行檢測與故障預警具有重要的意義。加強對礦井主通風機狀態監測與故障預警技術的研究，順應智慧礦山發展的大背景趨勢，有助于保障礦井安全生產和提高企業效益，具有重要的實際意義與工程價值。

1.礦井主通風機狀態監測與故障預警系統的意義

我國煤礦對于通風機檢測主要使用的基于振動信號的狀態檢測技術，該技術的原理是對通風機的震動進行監測，根據震動幅度分析通風機的狀態[1]。但是礦井通風機的運行狀態復雜，對通風的振動進行監控具有局限性，只能檢測到簡單的故障，現代技術對信號分析的技術越來越成熟，所以采用新的方式對通風機振動幅值進行監測分析能夠提升礦井主通風機狀態監測與故障預警系統的安全性與可靠性。采用小波包聯合階次分析的方法對提取到的信息進行處理，提升了故障診斷效率，對煤礦的安全生產有重要價值。

2.礦井主通風機狀態監測與故障預警系統硬件選擇

礦井主通風機狀態監測與故障預警系統的硬件系統如圖1所示，主通風機與主機都采用煤礦原設備，需要重新選擇傳感器與數據采集卡滿足系統的需求。

圖1 礦井主通風機狀態監測與故障預警系統硬件系統

(1)振動傳感器選型

礦井主通風機狀態監測與故障預警系統使用基于震動信號的狀態檢測技術，所以傳感器使用振動傳感器，振動傳感器的分類及特點如表1。

表1 振動傳感器類型及特點

在對比之后選擇電測試振動傳感器，電測試振動傳感器分為檢測加速度和檢測位移兩種，為了保證能對震動信號精確測量，所以礦井主通風機狀態監測與故障預警系統使用加速度振動傳感器，加速度振動傳感器又可以分為輸出信號為電流與輸出信號為電壓兩種型號；輸出信號為電壓流的加速度振動傳感器在長距離傳輸時信號精度差不穩定，而輸出信號為電流的加速度振動傳感器抗干擾能力強，適合遠距離或者復雜電磁環境下使用，在礦井內對主通風機的振動進行檢測使用輸出信號為電流的加速度振動傳感器。

(2)數據采集卡選型

傳感器采集到的信息通過數據采集卡輸入到工業計算機中進行處理，未來滿足礦井主通風機狀態監測與故障預警系統的需求，需要如表2性能要求的數據采集卡。

表2 數據采集卡性能要求

3.信號特征提取的方式

主通風機在運行過程中，傳感器提取到的信號因為自身波動的復雜與環境的干擾導致難以提取出信號中蘊含的故障特征信息，所以為了解決故障信號特征提取難的問題，以及區分主通風機在非平穩工作狀態中變轉速狀態或轉速波動狀態中不同的故障特征，對于特征的提取將會采用小波包聯合階次分析的方法，不僅能夠準確提取有效故障特征中的原始信息數據，還能避免因為信息不準確導致誤診故障的問題。采用小波包聯合階次分析的特征提取流程如圖2所示。

圖2 采用小波包聯合階次分析的特征提取

礦井主通風機狀態監測與故障預警系統提取通風機在非平穩工況特征步驟為：

（1）工業計算機將采集到的通風機信息進行處理，確定通風機是變轉速狀態或者變轉速波動狀態；

（2）如判定通風機處于轉速波動狀態，將使用小波包特征提取的方法對采集到的信息進行處理；

（3）如判定通風機處于變轉速狀態，采用階次分析特征提取方法對信息進行處理。

小波包聯合階次分析的方法中分別使用了小波包分析方法和階次分析算法，二者的原理分別為：

①小波包分析方法

礦井主通風機在運行過程中因為軸承的磨損等因素會導致轉速發生變化，通風機風量也不穩定，傳感器采集到的信號不平穩且存在調制現象，所以利用小波包特征提取的方式能夠更好的處理非平穩信號時頻域分析，提升信號的分辨能力[2]。通過高通和低通濾波器對小波包進行分解，將上一級頻帶分解得到下一級子頻帶信號，分解過程推導公式為：

式中：i為分解級數；

h(k)低通濾波器；

g(k)高通濾波器。

②階次分析方法

礦井主通風機在使用過程中會停機、啟動或者在通風量不同時，通風機的電機會變化運轉速度，此時通風機振動的信號處于不平穩的狀態，采集到的信號因為通風機的電機轉動速度改變，其中有效的分量頻率也會發生變化，采用階次分析的方法能夠有效去除轉動速度改變對振動信號的干擾[3]，降低因通風機電機轉動速度變化對信號頻率調制的影響。階次分析方法中的階次、電機的轉動速度以及故障特征的頻率可以表示為：

式中：o為階次；

f為故障特征頻率；

n為參考軸的轉動速度。

通過公式可以得出故障特征頻率與參考軸的轉動速度之比為固定大小，即礦井通風機在運行過程中，改變參考軸的轉動速度階次不會隨參考軸的轉動速度發生改變。

4.結論

礦井主通風機是煤礦生產不可或缺的一部分，保障井下工人們的生命安全，采用小波包聯合階次分析方法處理信號數據的礦井主通風機狀態監測與故障預警系統：

（1）礦井主通風機狀態監測與故障預警系統能夠幫助提升煤礦安全性，在故障發生前預警或者故障發生時判斷故障信息，降低煤礦因為通風機故障導致的經濟損失。

（2）采用小波包聯合階次分析方法處理信號數據的礦井主通風機狀態監測與故障預警系統能夠快速準確的提取到故障信號特征，減少故障診斷的時間甚至是對故障的誤診，使礦井能安全平穩有序的運行。