礦山機械設(shè)備維修中的故障診斷技術(shù)分析

暴 強

近年來，隨著礦山企業(yè)開采機械化的逐漸普及，礦山機械設(shè)備故障頻頻發(fā)生，導(dǎo)致開采效率受到影響，無法完成既定的開采任務(wù)，尤其是當(dāng)機械設(shè)備發(fā)生故障時，經(jīng)常引起礦難事故的發(fā)生。比如在礦山開采中發(fā)生井下通風(fēng)設(shè)備故障，就會導(dǎo)致礦井下通風(fēng)問題，若長時間無法得到清新的空氣，可能會引起CO超限、瓦斯突出等事故，造成井下人員傷亡。因此，對礦山機械設(shè)備故障進(jìn)行及時診斷并排除，對于提高機械設(shè)備的工作效率、延長機械設(shè)備的使用壽命、避免礦難事故發(fā)生具有重要的作用。然而，目前國內(nèi)現(xiàn)有的故障診斷技術(shù)主要依賴于工人的實踐經(jīng)驗，僅僅靠這些常識性的故障診斷技術(shù)難以快速定位故障點。本文從信息技術(shù)、計算機技術(shù)和智能故障診斷技術(shù)等出發(fā)，提出了礦山機械設(shè)備先進(jìn)的故障診斷和識別方法，有利于及時排除故障，避免事故發(fā)生，保證礦山企業(yè)高效安全生產(chǎn)。

1 礦山機械設(shè)備磨損規(guī)律及原因分析

機械設(shè)備磨損量隨時間變化而逐步加深，按照磨損理論可以分為三個階段，分別為初期磨合階段、中期穩(wěn)定磨損階段、后期急劇磨損階段。

1.1 機械設(shè)備運轉(zhuǎn)初期故障

根據(jù)機器零部件運轉(zhuǎn)規(guī)律，機械設(shè)備在開始使用初期處于磨合階段，機械零件之間的磨損比較大，主要表現(xiàn)為齒輪嚙合振動和噪聲較大、潤滑油潤滑效果不佳等。機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)初期，存在個別操作人員對相關(guān)操作規(guī)程的不熟悉，由于操作不當(dāng)而引發(fā)的設(shè)備故障。

1.2 機械設(shè)備運轉(zhuǎn)中期故障

機械設(shè)備經(jīng)過初期的磨合階段，機械設(shè)備進(jìn)入正常的運轉(zhuǎn)期，操作人員的熟練程度逐漸加強。機械設(shè)備長期處于復(fù)雜工況下，受到空氣中的粉塵、煙霧等的影響，在設(shè)備的某些連接處容易產(chǎn)生銹蝕或受粉塵影響導(dǎo)致運轉(zhuǎn)不靈的現(xiàn)象。在中期運轉(zhuǎn)時最重要的是對機械設(shè)備進(jìn)行維護和保養(yǎng)，如某礦山企業(yè)通風(fēng)機在運轉(zhuǎn)中期，由于缺乏必要的維護，風(fēng)機運轉(zhuǎn)五個月后就因潤滑不足導(dǎo)致軸承運轉(zhuǎn)不靈，最終被迫更換新的零件。

1.3 機械設(shè)備運轉(zhuǎn)后期故障

機械設(shè)備在運轉(zhuǎn)后期，內(nèi)部某些零部件的性能和質(zhì)量會下降，結(jié)構(gòu)相對運動件之間會存在老化、磨損的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致機械設(shè)備發(fā)生故障。工作人員需要加強對某些故障的識別，如常見的設(shè)備運行速度變慢并且產(chǎn)生異常響動、設(shè)備在短時間內(nèi)停止運轉(zhuǎn)、設(shè)備運行的溫度比較高導(dǎo)致線路燒壞，故障的原因是由于過度使用設(shè)備，沒有給設(shè)備足夠多的降溫和停機整頓，所以必須要結(jié)合實際情況作出調(diào)整。

2 礦山機械設(shè)備傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)

2.1 外部信息診斷技術(shù)

機械設(shè)備在實際運轉(zhuǎn)過程中，往往會產(chǎn)生不同的信息，設(shè)備故障會表現(xiàn)出不同的運行狀態(tài)和特征。通過這些信息，工作人員就可以分析設(shè)備的故障類型和主要的故障源，如機械設(shè)備，表現(xiàn)為設(shè)備外部某個區(qū)域內(nèi)的溫度異常，通過測溫儀就可以檢測到異常溫度，此時需要分析設(shè)備內(nèi)部是否存在局部短路、長時間運轉(zhuǎn)，還是由于內(nèi)部液壓油沒有得到及時更換，導(dǎo)致散熱性能變差等情況。通過簡單的儀器儀表觸摸機械設(shè)備外部，就可以對感知到的外部信息進(jìn)行診斷，這是比較容易實現(xiàn)的診斷技術(shù)，但這種技術(shù)受工人實踐經(jīng)驗的影響較大。

2.2 設(shè)備振動監(jiān)測診斷技術(shù)

任何發(fā)聲的物體都存在振動波，礦山機械在實際運行過程中，受內(nèi)部電動機以及外部環(huán)境的振動，有自己固有的振動頻率。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，由于某個零件出現(xiàn)損壞或者是管路連接不當(dāng)，將會導(dǎo)致設(shè)備自身或者相連的管路發(fā)生振動，有些振動比較明顯，可以通過肉眼進(jìn)行觀察，有些振動頻率比較低，必須要使用專業(yè)的振動監(jiān)測儀器對設(shè)備進(jìn)行檢測，通過采集振動信號，利用計算機進(jìn)行分析，可以比較精確診斷故障，準(zhǔn)確找出設(shè)備存在的故障問題并解決。振動監(jiān)測能夠?qū)C械設(shè)備的振動情況進(jìn)行診斷和判斷，能夠更為及時地對故障進(jìn)行定位，也能夠為礦山企業(yè)開采機械設(shè)備的運行、管理、維修、保養(yǎng)等環(huán)節(jié)提供有效參考。

2.3 油液監(jiān)測診斷技術(shù)

主要是通過對機械設(shè)備的油液進(jìn)行分析來對相關(guān)故障進(jìn)行診斷，采用機械設(shè)備微量滴定儀、原子發(fā)射光譜儀以及多元素油料分析儀等對機械設(shè)備中的油品水分、開口閃點以及金屬含量等機械設(shè)備參數(shù)進(jìn)行確定，以此為基礎(chǔ)來對機械的設(shè)備故障進(jìn)行判斷。機械設(shè)備這種檢測方法能夠精準(zhǔn)定位故障，進(jìn)而對故障進(jìn)行及時的機械設(shè)備處理。

2.4 多手段結(jié)合監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)的機械設(shè)備故障診斷方式是多樣的，主要是通過感觀獲取信息，并使用檢測儀器設(shè)備作為輔助診斷，受工人工作經(jīng)驗以及工種熟練程度的影響較大。所以必須要采用多樣化的監(jiān)測手段才能夠得到準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果，尤其是對于某些重載機械設(shè)備，如采礦機械、機載錨桿鉆機以及錨桿轉(zhuǎn)載機組等，采用單一的監(jiān)測手段往往難以得到準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果，因此可以采取多手段結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)和方法，減少外部干擾，將外界因素的影響降到最低，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和結(jié)果的可信度。如對機械設(shè)備溫度控制的監(jiān)測中，除了采集當(dāng)前的運行溫度數(shù)據(jù)外，還收集設(shè)備在其它狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合折線圖等進(jìn)行對比分析，有利于盡快發(fā)現(xiàn)故障點并進(jìn)行處理。

3 礦山機械設(shè)備先進(jìn)的故障診斷新技術(shù)

傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)因存在諸多干擾因素，容易導(dǎo)致機械設(shè)備故障診斷失誤，從而無法保證設(shè)備故障及時處理，為此提出了先進(jìn)的故障診斷技術(shù)和方法。

3.1 智能化診斷實時監(jiān)測技術(shù)

利用人工智能開發(fā)的智能化診斷技術(shù)，從采集信息、發(fā)送信息到分析信息均采用智能化系統(tǒng)。通過建立自學(xué)習(xí)機制，模擬人腦的思維過程，收集機械設(shè)備的故障信息，建立故障庫，利用開發(fā)模擬的專家系統(tǒng)對設(shè)備的故障表現(xiàn)進(jìn)行對比，實現(xiàn)對故障的精確分析和診斷，大大提高了診斷結(jié)果的準(zhǔn)確度以及故障的處理速度。通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，提取關(guān)鍵特征，現(xiàn)場檢測到的信息與故障庫中的數(shù)據(jù)對比，從而實現(xiàn)智能診斷和分析。

3.2 無損監(jiān)測識別技術(shù)

科技的快速發(fā)展讓礦山企業(yè)引進(jìn)了無損探傷技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行故障檢測。這種技術(shù)能夠在不拆解機械設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備的內(nèi)外部缺陷進(jìn)行探測，判斷機械設(shè)備是否存在故障、異常，是否能夠安全穩(wěn)定地運行。現(xiàn)階段常用的無損探傷技術(shù)主要為磁力探傷、超聲波探傷、著色探傷，其中超聲波探傷技術(shù)是被應(yīng)用最廣泛的，主要應(yīng)用在機械設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件的故障檢測當(dāng)中。比如針對采礦機械傳動系統(tǒng)振動異常檢測，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段需要首先拆開機箱，逐個查看內(nèi)部齒輪的嚙合情況，比較費時間。現(xiàn)在，可通過超聲波穿透機箱直接監(jiān)測傳動系統(tǒng)，對故障點異常聲響進(jìn)行定位和診斷。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，利用無損檢測，可以節(jié)省時間，對故障點進(jìn)行快速定位和診斷，及時處理故障。

3.3 光學(xué)監(jiān)測技術(shù)

面對大型設(shè)備比如常用的ABM20 掘錨機，當(dāng)設(shè)備的多個位置點均有故障，均表現(xiàn)為溫度異常時，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段需要大量的工人參與，重復(fù)進(jìn)行監(jiān)測和定位，勞動強度比較大。利用光學(xué)傳感監(jiān)測技術(shù)，將接收到的紅外線轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號，設(shè)備內(nèi)部故障表現(xiàn)出的溫度異常，就可以通過紅外線熱成像技術(shù)，對外部溫度進(jìn)行全面監(jiān)測，多點定位診斷故障，設(shè)備故障可以及時得到處理。紅外熱成像技術(shù)可以有效對機械設(shè)備表面發(fā)出的紅外熱能進(jìn)行采集，對比環(huán)境溫度，對溫度異常進(jìn)行可視化顯示，監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確，同時減輕了工人的勞動強度。

3.4 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)測

物聯(lián)網(wǎng)是隨著信息技術(shù)發(fā)展起來的設(shè)備交互控制的一種方式，主要包括感、傳、知和用四方面。總的來說，物聯(lián)網(wǎng)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層，其中感知層處于最底層，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的前提。感知層主要由各種傳感器組成，負(fù)責(zé)各種信息的采集；網(wǎng)絡(luò)層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_，主要由無線網(wǎng)、以太網(wǎng)及局域網(wǎng)組成；應(yīng)用層主要連接各種設(shè)備，即用戶端，完成設(shè)備與設(shè)備、人與設(shè)備的相互溝通。為了能實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)的高效應(yīng)用，使用了RFID 技術(shù)。該技術(shù)主要用于信號的無線傳輸，RFID 模塊可接收或發(fā)送特定頻率的電磁場，從而快速實現(xiàn)信號的傳輸和交換。可以說，RFID 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基石。傳感器是感知物體狀態(tài)的重要設(shè)備，它將物體的運行規(guī)律轉(zhuǎn)換成一定的電信號，從而更好地表征物體的狀態(tài)。傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要內(nèi)容。目前，已經(jīng)有多重?zé)o線傳輸技術(shù)可作為信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，主要為4G 和5G 技術(shù)。其中5G 技術(shù)由于高容量、低延遲和抗干擾能力強的特點，已成為了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要內(nèi)容。

與其他行業(yè)相比，采礦行業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用比較緩慢，究其原因，一是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需要對設(shè)備進(jìn)行改造，而礦山企業(yè)的很多設(shè)備比較老舊，改造起來相當(dāng)困難；二是礦山企業(yè)生產(chǎn)對安全性要求較高，很多信息化設(shè)備難以在礦井中安全使用。近些年來，一些礦山企業(yè)開始逐步應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其中典型的就是機車運輸監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，其通過視頻系統(tǒng)及時傳輸機車上人員的實時信息情況，通過定位系統(tǒng)實時傳輸機車的位置與速度情況。機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分主要用于數(shù)據(jù)的采集和傳輸，而軟件部分主要用于數(shù)據(jù)的處理和判斷。礦山企業(yè)機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要分為3 個功能模塊，即現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)模塊、實時網(wǎng)絡(luò)通信模塊及控制管理模塊。按照物聯(lián)網(wǎng)的層級來劃分，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)模塊屬于感知層，實時網(wǎng)絡(luò)通信模塊屬于網(wǎng)絡(luò)層，而控制管理模塊屬于應(yīng)用層。根據(jù)機械設(shè)備的特點，感知層主要采集井下機電設(shè)備的一些狀態(tài)參數(shù)，例如位置、功率、電壓、電流、溫度及振動等。網(wǎng)絡(luò)層主要功能是建立的通信網(wǎng)絡(luò)，例如無線通信、光纖通信及局域網(wǎng)等。平臺層主要由為機電設(shè)備控制提供服務(wù)的設(shè)備組成。對于礦山機械設(shè)備設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件發(fā)揮著十分重要的作用。系統(tǒng)軟件主要是將感知層采集來的機械設(shè)備狀態(tài)信息及時進(jìn)行處理，從而判定設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常。信息傳輸通常需要過建立的通信系統(tǒng)來完成，需要處理的參數(shù)主要有設(shè)備的電壓、電流、溫度、負(fù)載、速度及位置情況等。在設(shè)備狀態(tài)參數(shù)異常時，要能及時發(fā)出警報，從而杜絕危險情況的發(fā)生。

4 機械設(shè)備故障處理技巧

當(dāng)機械設(shè)備發(fā)生故障時，維修人員在實際處理過程中應(yīng)當(dāng)避免盲目拆卸，有些維修人員并不能準(zhǔn)確判斷機械設(shè)備故障的真正原因就對機械設(shè)備進(jìn)行拆卸，這樣的方法不利于故障的確認(rèn)。許多礦山開采人員對機械化設(shè)備的運行原理和整體結(jié)構(gòu)并沒有明確的概念，僅憑著自己的經(jīng)驗來對故障原因進(jìn)行分析，這樣就無法對故障區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，只能通過拆卸來逐步排查故障原因，嚴(yán)重影響到正常生產(chǎn)，拆卸的過程中還極有可能造成新的故障或者將故障問題擴大化。

礦山開采機械設(shè)備在出現(xiàn)故障時應(yīng)當(dāng)全面且準(zhǔn)確地對故障進(jìn)行分析判斷，可以通過采用上述檢測技術(shù)及相關(guān)儀器設(shè)備來對故障進(jìn)行排查，也可以采用PLC 自動化裝置來對機械設(shè)備進(jìn)行自檢。檢查時應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合開采機械設(shè)備的運行原理和自身結(jié)構(gòu)，對故障有可能出現(xiàn)的位置進(jìn)行有效定位。也可以采用排除法和比較法，盡量避免檢測方式復(fù)雜化，先從外表進(jìn)行判斷，后檢測內(nèi)部，也可以先從整體來進(jìn)行判斷，后定位在個別部件上。最大限度避免隨意拆卸機械設(shè)備的次數(shù)或者大規(guī)模對機械進(jìn)行拆卸。

現(xiàn)階段我國礦山企業(yè)采礦設(shè)備的檢修也存在著沒有確定故障原因，一旦出現(xiàn)故障就更換零部件的情況。對比其他的生產(chǎn)設(shè)備，礦山企業(yè)機械設(shè)備更加復(fù)雜，在故障的診斷和檢修方面也具有較大的難度。許多檢修人員會直接更換新零件，通過這樣的方式來對故障進(jìn)行分析。這種排除法的診斷效率低下，甚至還會增加企業(yè)的成本浪費，一些并不需要更新的零件被更換后極容易造成機械設(shè)備的檢修成本增加。

在實際的故障檢測和維修過程當(dāng)中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合機械設(shè)備的運行情況對故障進(jìn)行排查和定位，分析故障的出現(xiàn)原因，對需要維修的零件進(jìn)行性能的恢復(fù)，不要出問題就更換零部件，在確保故障維修效果時也應(yīng)當(dāng)注意成本的控制。另外，在采用新配件時也應(yīng)當(dāng)加強其質(zhì)檢工作，對新配件一定要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，這樣才能夠避免裝配后出現(xiàn)故障的幾率。尤其是一些長期在倉庫中存放的新配件，極容易出現(xiàn)性能方面的變化，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)銹蝕、失效等問題，沒經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)檢就進(jìn)行裝配則極容易引發(fā)嚴(yán)重的機械故障。檢修人員在進(jìn)行配件更換時需要對新配件進(jìn)行性能的檢測和外觀的檢查，確保新配件無故障、無腐蝕、性能良好，才能夠安裝在機械設(shè)備當(dāng)中。

從現(xiàn)階段礦山企業(yè)采礦設(shè)備的檢查和維修情況來看，普遍存在零配件代用和錯用的情況。一些零配件雖然能夠進(jìn)行臨時的代用，但也是在配件庫存不足或者暫時短缺的緊急條件下采取的臨時搶救措施，但這種代用情況只能臨時應(yīng)用，并不能長時間使用，應(yīng)當(dāng)及時更換匹配的零部件，否則機械設(shè)備的其他零部件會出現(xiàn)異常的磨損情況，導(dǎo)致設(shè)備的性能下降，甚至存在運行風(fēng)險的問題。技術(shù)人員在實際檢修的工作中應(yīng)當(dāng)注意加強對零部件型號的掌握，開采機械設(shè)備在更換新配件時應(yīng)當(dāng)盡量采用原裝原廠原型號的配件，除非有特殊情況需要進(jìn)行代用，盡量還是要與原有的配件保持一致。一些維修人員在進(jìn)行機械維修時沒有對維修方法起到應(yīng)有的重視，認(rèn)為都差不多的零部件應(yīng)急一下無所謂，這樣的維修方法不僅不專業(yè)，還治標(biāo)不治本。對采礦機械設(shè)備的檢修不僅要充分了解其結(jié)構(gòu)和工作原理，要采用專業(yè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐袛唷⒃\斷維修方法徹底根除故障。不能對故障進(jìn)行經(jīng)驗式的貿(mào)然判斷，也不能一有故障就更換零件。更換零件時也要采用原廠配件，采用正規(guī)的維修方法。另外，維修的方式方面盡量采用監(jiān)測和預(yù)防為主，避免維修過多對設(shè)備的運行情況和備件管理造成負(fù)面影響。企業(yè)應(yīng)當(dāng)定期對開采機械設(shè)備進(jìn)行定期、規(guī)范且完善的故障檢修，對日常維修和養(yǎng)護的流程進(jìn)行有效的管理，制定相應(yīng)的管理制度、獎懲制度以及績效考核等體系，確保責(zé)任能夠落實到個人頭上，這樣才能夠確保礦山企業(yè)機械設(shè)備的穩(wěn)定運行，提升礦山企業(yè)生產(chǎn)的安全性，保障礦山企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

5 結(jié)語

本文分析了礦山企業(yè)機械設(shè)備故障磨損規(guī)律，發(fā)生故障原因主要為機械設(shè)備自身故障、操作不當(dāng)故障或維護不及時三大類。傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)存在診斷誤差大，工人監(jiān)測勞動強度大，工作環(huán)境惡劣等問題，為此提出了先進(jìn)的機械設(shè)備故障監(jiān)測診斷技術(shù)，融合了信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)，可以實現(xiàn)對故障點的快速定位和診斷。新時期應(yīng)加快物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山機械設(shè)備監(jiān)測中的應(yīng)用，機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的重要性主要體現(xiàn)在可以保證設(shè)備運行的安全性、延長設(shè)備使用壽命及降低設(shè)備運行成本。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可大幅度提高監(jiān)測實施的成功性。在未來，礦山企業(yè)應(yīng)該加大在該方面的投入。