掘進機機電故障自動診斷系統的應用研究

胡興龍

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司， 山西 懷仁 038300）

0 引言

掘進機是一種集機電液于一體的大型機械設備，在工作過程中通過控制系統將控制信號傳輸到液壓系統和機械系統，進而控制掘進機的運行，由于煤礦井下工作環境惡劣，掘進機長時間在超負荷工作的情況下極易出現機電系統故障，影響井下巷道的掘進作業。為了提高掘進機運行的可靠性，目前主要是通過對掘進機進行定期維護、停機檢修的方式來實現，不僅效率低下，而且無法及時發現掘進機工作過程中的異常，一旦出現故障后只能人工根據經驗逐個對故障進行排查，嚴重影響了井下巷道掘進的效率和經濟性。

1 掘進機故障類別分析

掘進機是一種集機電液于一體的大型機械設備，主要包括了電控部分、機械部分和液壓部分，其在運行過程中的故障類別也主要分為電控故障、機械故障和液壓故障，根據對掘進機故障類別的梳理，在運行過程中的故障主要是電控部分故障和液壓部分故障，兩種故障類型占據了掘進機整個故障類型的80%以上。為了有效的對掘進機運行故障進行判斷，就需要采用故障樹法，從底層開始，通過特定的邏輯算法對故障現象、故障原因、故障類別等進行分析，建立故障數據庫，通過對掘進機運行時特定數據信號的監測，實現對掘進機運行故障的快速確定。掘進機結構如圖1 所示。

圖1 掘進機結構示意圖

2 掘進機故障診斷系統

結合掘進機工作控制流程及故障診斷需求，本文所提出的掘進機故障診斷系統以ARM嵌入式控制為核心，以設備管理、數據管理、數據分析、顯示報表為基礎。通過對掘進機工作時的電流信號進行監測、分析、判斷實現對機電系統運行情況的判斷。通過進行數據管理實現對異常事件的記錄，形成異常數據庫，滿足后續快速判斷需求。通過報表顯示系統和設備管理系統自動生成掘進機設備的維修保養計劃表，根據分析結果將可能出現故障的零件和系統顯示出來，指導設備維護人員進行針對性的維護保養，不僅能夠有效降低維修保養時間，而且能夠顯著提升維護的有效性。該掘進機故障診斷系統的功能結構如圖2 所示[1]。

圖2 故障診斷系統功能結構示意圖

故障診斷的核心在于數據分析系統，該系統通過各類傳感器設備對掘進機運行過程中電流信號、振動信號等分析確定掘進機的運行狀態。為了確保對掘進機運行狀態監測的完整性，在對多種監測方案分析后，最終確定采用以ARM嵌入式控制系統為核心的監測系統，將傳感器設備分別布置在掘進機驅動電機線路、掘進機構外殼、電機驅動軸等位置，滿足對掘進機運行過程中振動、電流、速度、截割載荷等數據信息的全面監控，該監控單結構如圖3 所示[2]。

圖3 掘進機故障監測系統結構示意圖

當系統監測到掘進機運行異常時，將自動把數據存儲在報警庫內，然后將異常信息進行分析和處理，確定故障原因和位置，系統通過存儲大量的異常因素處理方案，形成一個完整的異常原因和處理方案庫，能夠實現對故障的快速識別和定位，有效提升掘進機異常處理的效率，提升井下巷道掘進效率和安全性。該系統結構簡單、數據處理速度快、故障定位精確，對提升掘進機運行可靠性具有十分重要的意義。

3 機電系統故障診斷及故障保護

掘進機電控部分故障是各類型故障中發生率最高的，占據了整個故障類型的45%以上。對掘進機機電系統的故障診斷，主要是通過對異?，F象的分析，逐層進行排除，最終確定故障原因。為了滿足掘進機工作穩定性的需求，要求故障診斷具有快速性和全面性，而且要能有效的識別出系統參數波動引起的誤報警現象。因此在對多種故障診斷方法進行分析后，最終確定選用基于故障樹原理的診斷方法。

故障樹診斷法，首先要建立故障樹庫，對故障樹內的故障判別邏輯、底層、中層、頂層事件進行分別定義，進而根據故障現象逐層的對故障因素進行分析判斷，以定量分析的形式確定故障因素，保證故障診斷的快速性和準確性，該故障樹建模流程如圖4所示[3]。

圖4 故障樹建模流程示意圖

當掘進機機電系統出現故障后，為了避免影響范圍的進一步擴大，在故障診斷系統內加入了電氣保護功能，根據故障監測的結果自動停止故障模塊的運行，實現對故障的隔離。以對驅動電機的監測為例，系統以電流、電壓等監測傳感器為基礎，對驅動電機的三相工作電流、電壓進行連續監測，將監測結果實時傳輸給監測系統，對驅動電機的過載、過流、運行溫度等關鍵參數進行判斷，進而確定驅動電機是否存在故障，一旦判斷有異常，系統將對電機參數進行補充延遲監測，若系統還是判斷電機故障，則將啟動電氣保護，對繼電器和接觸器開關進行釋放，觸點斷開，切斷對驅動電機的電源供應，避免電機出現燒毀等重大事故[4]。

除了以上保護機制外，掘進機的電氣保護還包括了漏電保護、閉鎖保護、過熱保護等[5]，從而確保掘進機機電系統在運行過程中的安全性。同時系統還具有智能擴展和自動輸出維護計劃的功能，根據對機電系統運行情況的監測，確定異常量偏移的頻率，及時對高頻率的異常波動進行報警，提醒維護人員及時跟進維護，不僅能夠有效降低設備維護時間，而且能夠顯著提升維護的有效性。

4 應用情況分析

以EBZ300 型懸臂式掘進機[6]為研究對象，對其進行改造，實現運行狀態監測和故障自動診斷及保護功能，然后對其優化前后的運行狀態進行監測。根據實際應用表明，新的故障診斷系統能夠將故障定位速度由最初的12 min 降低到了目前的0.36 min，故障定位速度提升了97%。掘進機在運行中的停機故障由最初的11.2 次/月降低到了目前的2.3 次/月，將故障停機率降低86.4%，對提升掘進機的工作穩定性具有十分重要的意義。該故障診斷分析平臺終端如圖5所示。

圖5 故障診斷平臺顯示界面

5 結論

為了解決掘進機故障排查效率低下，嚴重影響巷道正常掘進作業的現狀，本文提出了一種新的掘進機機電故障自動診斷系統，能夠自動對機電系統運行情況進行監測、故障定位、故障報警，根據實際應用表明：

1）掘進機故障診斷系統以ARM嵌入式控制為核心，以設備管理、數據管理、數據分析、顯示報表為基礎，通過對掘進機工作時的電流信號進行監測、分析、判斷實現對機電系統運行情況的判斷，具有結構簡單、穩定性好的優點。

2）基于故障樹原理的診斷方法，能夠根據故障現象逐層的對故障因素進行分析判斷，以定量分析的形式確定故障因素，保證故障診斷的快速性和準確性。

3）系統具有漏電保護、閉鎖保護、過熱保護等，能夠實現對故障的快速隔離，避免事故進一步擴大。

4）新的故障診斷系統能夠將故障定位速度提升97%，將故障停機率降低86.4%，對提升掘進機的工作穩定性具有十分重要的意義。