浅析煤矿机电设备故障检测诊断技术.docx

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浅析煤矿机电设备故障检测诊断技术

浅析煤矿机电设备故障检测诊断技术

前言

改革开放以来，随着我国对外开放的步伐以及科学技术的不断发展，工业生产的机械化、自动化水平越来越高，导致了能源消耗大幅上升，也使我国能源需求持续旺盛增长。

我国“富煤、贫油、少气”的能源赋存状况决定了能源消费必须以煤为主，一次能源消费中有70%～75%来源于煤炭，煤炭行业的健康发展关系到国民经济可持续发展的全局。

为了达到高产高效，必须采用先进的技术装备，保证设备可靠运行。

由于科技的快速进步，工业自动化程度日益提高，机械电气设备对当前的生产有重要影响，机械电气设备的运营成本不断提高。

为了煤矿能够高产高效的运转，其主要的生产设备的完好率就必须得到保证，因为没有良好运转的设备就没有产量。

工业生产中如出现设备事故不但会产生巨大的经济损失，还容易造成人身伤害甚至工亡事故，造成的社会影响极为恶劣。

因此，矿山机电设备的维修和保养工作就愈发至关重要，否则再好的设备也无法发挥作用。

只有将机电设备的维修和保养工作做好了，才能真正的发挥它们的作用，更好的为企业的生产保驾护航。

目前，我国大型矿山设备的维修方法和设施基本上是实施计划经济体制的模式，与国外相比有较大差异，其中很多己不适应市场经济发展的需要。

而用于故障诊断技术进行矿山机电设备的维修，则是既结合了我国国情，又吸收先进的技术、经验，这样就可以很好的提高矿山的管理水平，改变现有的维修体制，使其适应市场经济的运行规则。

1故障检测诊断技术

机电设备状态检测、故障诊断是以计算机技术、传感器技术、信号分析处理技术等多学科为基础的综合性技术。

它是通过状态检测、故障诊断定量地掌握机电设备运行工况参数，对机电设备的安全可靠性和工作性能作出预测，并对异常原因、部位、危害程度等进行识别和评价，确定应采取的对策，即状态检测、故障诊断既检测现状、识别现状又预测未来。

故障诊断（FD）技术最早开始于（机械）设备，它包括两方面的内容：

一是对设备运行状态进行检测；二是在发现异常现象后对设备进行故障分析、诊断。

美国自1961年开始实施阿波罗计划后，先后出现一系列设备故障，造成事故，经济损失较大，因而在美国宇航局（NASA）倡导下，1967年成立了美国机械故障预防小组（MFPG），开始积极从事检测诊断技术的开发，美国故障检测诊断技术在航空、航天、军事、核能等尖端领域处于世界领先地位。

70年代以来，故障诊断技术在工业发达国家迅速发展，取得了很多成果，比较有代表性的如日本三菱公司的健康检测系统、美国Atlanta公司的旋转机械在线检测系统等等。

这些系统具有对设备运行状态和潜在故障信号自动采集、分析处理、显示打印等功能，基本实现了设备的故障诊断、故障预报，且诊断的准确率较高。

20世纪80年代初期，我国在该领域的研究开始起步，检测诊断设备主要是依赖进口，并且仅在少数大型工矿企业中应用。

近年来，部分高校和科研单位在故障检测诊断方面的研究也有了可喜的进展，取得一些科研成果，典型的例子有：

MMMD-3微计算机化旋转机械状态监测故障诊断装置、重庆大学的CDMS故障诊断与模态分析系统、南京汽轮机厂的CRAS随机信号处理与振动分析系统、中国矿业大学的KTD型旋转铁谱仪及计算机磨屑图象分析系统等。

随着煤炭科学技术的发展，故障诊断技术在煤矿机电设备中的应用日趋广泛，也取得了令人瞩目的成就。

2设备故障诊断及维修类型

故障诊断的关键目的在于对设备实施计划性状况维护检修，以确保生产设备的连续运转。

通常意义上的维护检修，按照类型大概能够划分为三种：

（1）事后维护检修

事后维修是在设备出现故障后所实施的治理措施，不是主动进行的。

因为大部分是在没有准备的情况下实行，所以维修质量不高、效果不理想。

（2）按计划性定期维修

按计划周期性维护检修主要利用比较简易的检测方法，而且大多根据经验制定检修期，无论设备应该维修与否，每到维修周期就必须进行维修，所以难以防范因偶发事件引发的故障，经常发生重复检修。

（3）计划性状态检修

随着设备监测技术的发展和日趋完善，按照在线检测和诊断装置能够将所预防的设备故障状态、维修的时间和维修内容详细记录下来。

通过从监测和诊断资料中取得的数据，经过输入计算机分析处理，预测设备故障，从而在设备发生故障之前，订出修理计划和措施，以利延长设备使用寿命，消除隐患，达到保证生产顺利进行的目的。

3故障诊断技术的五项基本技术

（1）数学模型的建立。

设备运行中有很多参数，这些参数与设备状态和产生故障密切相关，必须建立一个数学模型来准确反映出设备状态与产生故障的各种参数间的相互关系。

这种数学模型的建立，对设备状态监测的计算机系统非常重要。

（2）信息采集技术。

准确地采集和测量反映设备状态的各种信号和参数的技术。

一般来说它是靠各类安装在设备上的传感器来实现的，传感器所产生的各种信息传人数据贮存器或计算机。

（3）信息处理技术。

现场采集的设备各种信息，并不能直接被用来判别设备的状态，其中存在着有关和无关的2种信息，因此必须将这些信息经过适当的转换，变成人或机器能读懂、有用的信息，才能达到信息采集的目的。

信息处理技术就完成这个功能。

（4）分析与识别技术。

它是对处理后的信息进行识别和分析，并与设备运行的标准参数进行比对，以确定设备的状态和故障类别，判断具体故障并找出原囚。

（5）预测技术。

在分析与识别各类信息的基础上，对设备故障的发展和部件的剩余寿命进行预测。

4故障诊断技术

4.1诊断根据

机电设备在运转时会产生摩擦、热量、动力等物理、化学性能的转移和变换，势必导致诸如温度升高、压力增大、电流、电压及功率波动等等，通过对这些参数变的化能够初步判断设备的运转状况和运行效率。

故障诊断技术是依据不同参数的变换规律，进一步掌握设备的工况和预判设备出现故障的可能性以及出现的部位，为采取针对性检修提供科学参考，以便避免常规性计划检修出现的重复检修和漏修的问题，使设备的各部位不仅能够有效运行，而且对设备运行中出现的故障及时进行检修，极大提高了机电设备运转的效率和安全性。

4.2信息采集

通过对设备进行的看、听、摸、触、嗅发现设备的实际运行状态；或者利用传感器、点检仪等仪器准确采集设备的多种状态数据，例如：

振动、温度、工艺量、加速度、位移等判断，并根据设备运转中能量、介质、动力、热能、等各项参数的变动，把相关信息传递出来，并以此判断设备的运行状况。

（1）现场观察：

这是依据现场实践经验对设备的运转状况进行分析判断的办法，也是现场普遍采用的办法。

比如：

在实际工作中可以通过电机或发动机的响声、电机或轴承温度变动进行故障的预判；机械零部件损坏的大多变现为螺栓、螺帽等松动、油液的泄漏、有异物或异常响声和动作失灵等。

外部检测也可利

用其它的方法、措施手和检测仪器等，比如着色渗透剂、超声波探伤仪、显微硬度计等。

（2）性能检测：

通常是对机电设备经常使用投入与产出的变量之比或投入、产出本身进行比对实行检测。

由于通常机电设备的投入与产出值存在相应的变化波动范围，如果同样的投入而产出偏低时，则说明设备的运行效率下降；有时产出相同，但是投入却升高，同样说明设备的运行效率下降。

能够说明矿山机电设备性能指数的重要技术参数有：

轴承转速、电机功率、设备的温度变化以及电流波动等，有的时候也会运用产出矿量或运矿量等数据来进行考量。

在检测整台设备的功能之时，还应该对设备的重要零部件的性能实施检测，检测重要零部件关键参数是强度指标。

4.3诊断方法

设备故障诊断的方式多种多样，对于矿山机电设备特别是对井下采掘矿机设备的检测，应该顾及到其工作环境和状况，如振动、冲击、酸碱腐蚀、矿物粉尘、井下水、防爆性能和工作范围小和维修难度大等因素的影响，所采用的检测仪应该符合这些要求。

所以导致很多检测方式难以实施，比如被普及推广的振动检测方法，当用于对铲运机的检测时，经常因为由各种不利的干扰因素，严重影响到判断的准确程度。

所以，对于故障诊断技术我们需要依照各种具体情况来进行有针对性的处理，需要采用可行的技术措施。

在矿井机电设备的故障故障诊断技术当中，我们不但可以运用以往经常使用的温度诊断以及振动监测的措施之外，油磨屑分析也同样需要得到大力的推广与运用。

（1）温度、压力监测诊断法

温度、压力监测诊断法利用摩擦副、轴承和齿轮传动箱等部位的温度、压力传感器，可以定点在线监测矿山机电设备相关部位的温度和压力参数。

连续地对这些部位进行监测并记录历史变化数据，能够迅速、直观地反应采煤机的工况，还能及时发现故障和预测故障的状态和发展趋势。

温度、压力的在线监测诊断法是一种普遍的监测诊断手段，它的优点是能正确、快速和灵敏的反应设备的工况。

（2）振动监测

该项监测主要的适用范围是预防性的维修，通常可以划分为两类：

一类是简易诊断仪，另一类是精密的诊断系统。

简易诊断仪一般是采用便于携带的测振仪，通过将设备运行状态之下的振动信号放大来掌握设备的运行是否正常。

精密诊断系统，这个则可以定期或者直接对某些设备开展检测工作，通过将设备的振动信号导入显示装置或者控制器，在经过计算机的数据分析之后来查找发生故障的成因以及故障在设备中所处的位置。

（3）铁谱监测

该项技术虽然在煤矿机电设备中的运用历史较短，却已经取得了较为明显的效果。

铁谱检测仪器常见的主要有颗料定量仪。

其运行的原理是让带有磨屑的润滑油流经具有高强度和梯度的磁场，然后将磨屑从中吸出，最后根据磨屑颗粒大小次序来制成谱片，以此作为判断设备运行情况的分析依据。

此外，还有使用铁谱显微镜或者电子显微镜来开展监测工作。

（4）参考故障历史记录诊断法

这种方法是依据矿山机电设备的系统组成原理，从出现的故障明显部位着手，对该局部故障的所有依赖性元器件和系统进行分析排查，直至找出故障的症结。

此方法也是构成矿山机电设备使用维护手册的主要部分。

在矿山机电设备发生故障后，对故障产生的过程进行细致排查可以得出最终诊断结论，将这些结论有效地集中归纳后，便可以形成一个故障诊断集。

当再次出现相同的故障现象后，便可通过查找上次的诊断路径对故障进行诊断和处理。

这种方法纯粹地依赖历史诊断经验，优点是在故障现象相同的情况下能够比较快捷地定位。

（5）小波神经网络

神经网络独特的结构和信息处理方法，使其在模式识别、信号处理、自动控制与人工智能等许多领域得到了实际的应用。

采用某种网络拓扑结构构成的活性网络，通过学习可以描述几乎所有任意的非线性系统。

此外，神经网络还具有自学习、自适应等能力。

矿山机电设备的故障诊断中从故障初始征兆到故障源的映射通常具有复杂的非线性映射关系，因此将人工神经网络（ANN）应用于采煤机某些系统的诊断是当前故障检测的前沿技术。

（6）模糊数学

矿山机电设备的故障现象与故障原因之间通常具有多种对应关系，既有确定性的囚素，又有随机的因素，使得故障具有渐变性与隐蔽性等特点。

针对这种非线性复杂映射关系，在保证诊断精度的要求下，将模糊数学引人采煤机的故障诊断中，建立模糊诊断数学模型，使得定量分析与专家经验、定性分析棚结合，并在计算机上实现，为采煤机故障诊断决策者提供辅助作用。

数学模型的建立首先需要参考到采煤机领域的故障知识特性，选取适合的知识表示方式，建立表示故障原因和各种征兆之间模糊因果关系对应矩阵。

矩阵中的隶属度值的确定需要参考大量故障诊断经验和实验测试的结果，隶属度值可由实际诊断过程中产生的概率数据进行实时刷新。

为了提高诊断的精度，可以在诊断的过程中根据经验积累对权矩阵进行修改。

（7）故障诊断专家系统

矿山机电设备故障通常具有复杂性和隐蔽性，采用传统的诊断方法难以快速、准确地诊断。

而专家系统能够综合运用领域专家的经验和专门知识，模拟专家的思维过程，对故障进行分析求解，得出可靠的诊断结论。

近年来，基于专家系统的矿山机电设备故障诊断方法是目前国内最为活跃的研究领域。

国内现有的一些矿山机电设备故障诊断专家系统，其知识库的构成通常先借助于建立采煤机故障树，对故障树进行定性、定量分析后得出由产生式表示成的许多条规则。

故障树是故障诊断分析的初始知识模型，它来源于对现场故障诊断数据的历史记录和分类总结，其内容包含了故障源的特性，以及进行故障决策和求证目标故障源所需的目标结点。

在实际故障诊断过程中，规则前提条件的重要度一般由领域专家提供。

目前有人将粗糙集理论引入到对采煤机诊断规则的约简当中，挖掘规则集中各规则中条件的隐藏关系，剔除不必要的属性，揭示了故障诊断信息中内在的冗余性，获得最简专家诊断规则，提高了系统的效率巧。

5故障诊断技术在煤矿机电设备中的应用

故障诊断技术在煤矿机电设备中的应用实例很多，这里只介绍几个典型的应用。

5.1矿井提升机检测与故障诊断

提升机是矿井生产、运输的主要设备之一，它担负着提升原煤、矸石、下放材料、升降人员和运送设备的任务。

提升机运行的安全可靠性状况不仅直接影响煤矿的生产，还影响到煤矿生产人员的生命、财产安全。

提升机的故障可分为“硬故障”和“软故障”两类，硬故障是指由一些特定的参数超限表现的故障，该类故障应由保护装置来解决；而“软故障”需要许多工况参数的测量，并经过一定的数据处理才能诊断出来。

由于软故障牵涉变量多，导致故障诊断的准确率较低。

但“软故障”往往是“硬故障”的前兆，因此对“软故障”的及时诊断和预报极为重要。

为了确保提升机的安全运行，许多科技人员开展了大量的研究工作，取得了一些成果，开发出了不少提升机的检测诊断装置，如中国矿业大学研制的KJ46型矿井提升机状态监护系统、ASCC型全数字提升机控制系统等都包含了对提升机运行参数的检测和故障诊断功能，具有制动失灵保护、过卷保护、超速保护功能，取得了比较好的效果。

矿井双筒提升机松绳现象经常发生，而松绳现象常常带来很大的危害。

这里介绍一种简单实用的松绳检测装置。

该装置主要由单片机和霍尔传感器组成，其原理是：

在提升机每个天轮一侧安装一周小磁钢，并在适当位置安装霍尔传感器检测两天轮的转速，在正常运行（即无松绳）时，两天轮的转速相同，则两个传感器输出的计数脉冲个数基本相同，该装置内单片机计算出的两天轮的行程差几乎为零；当钢丝绳出现松绳现象时，两天轮的行程不同，该装置可计算出两天轮之间的行程差，当行程差达到预报警值时发出松绳报警信号；当行程差达到保护值时，该检测装置发出控制信号，使提升机及时刹车，起到保护作用。

5.2采煤机工况检测和故障诊断

我国从20世纪80年代后期开始研究交流电牵引采煤机，与国外先进采煤机相比，国产采煤机的整机水平还有相当大的差距，主要表现在检测范围很不全面、检测参数较少，基本上无故障诊断功能。

为了从根本上改变国产采煤机检测水平低、无系统化的故障检测诊断功能的落后状况，原煤炭部将“电牵引采煤机工况检测及故障诊断系统”的研制列入了“九五”重点科技攻关计划。

该故障检测诊断系统主要有：

（1）左、右摇臂检测单元。

（2）机身外围检测单元。

（3）高压控制箱检测单元。

（4）变频器通信单元。

所用变频器可检测27个工况检测参数，并有独立的液晶显示屏，能显示采煤机的牵引速度、牵引电机电流、变频器输入电压等参数，并具有温度保护、过压、欠压、过流、过载等多种保护功能。

变频器通信单元的主要功能是将变频器上述检测信号传送到工况检测及故障诊断中心，由检测中心进行相应的处理，并进行中文或图形方式集中显示。

（5）工况检测及故障诊断单元。

该单元嵌入微型计算机中，采用Windows操作系统。

该单元与采煤机控制中心采用接点通信方式，一旦故障诊断单元检测、诊断出有故障或事故发生时，屏幕立刻显示出故障类型，并向控制中心发出相应信号，由控制中心进行相应的控制操作，如进行声光报警或进行故障保护。

（6）检测显示单元。

该显示单元由一块6英寸、480×640线的彩色液晶显示屏及有关电路组成。

显示内容包括采煤机所有工况检测参数、操作及运行状态、报警提示和故障诊断结果等。

5.3通风机的检测诊断技术

目前用于主风机故障检测诊断的产品还不多，比较典型装置是江西煤炭工业研究所研制的KFCOA型通风机集中检测仪、煤炭科学总院重庆分院研制的FJZ型矿井主风机在线监测与故障诊断仪。

FJZ型矿井主风机在线监测与故障诊断仪是一个以8098单片机为核心的通风机在线检测与故障诊断系统，它将主风机在线监测与机械故障诊断一体化。

8098单片机系统是目前面向控制应用领域性能价格比最高的单片微型计算机系统，其主要特点是：

16位中央处理器、丰富高效的指令系统、四通道10位A/D转换器、高速输入/输出接口、8个中断源、两个16位定时器、16位监视定时器和具有多用途的接口。

系统的主要功能：

（1）实时检测。

主要检测量：

风机振动烈度、轴心轨迹、轴温、风量、负压、通风机电流，并可巡回显示。

（2）报警、打印。

各种参数报警值可任意设定，超限时即可进行报警并随机打印。

（3）进行加速度时域和频谱分析。

（4）智能诊断。

利用主机内专家系统，对通风机常见的“转子偏心”等机械故障进行诊断。

故障诊断采用灰度理论，对风机故障类型进行快速定位。

首先利用高精度加速度传感器测出通风机敏感部位的振动加速度，并计算其烈度值和功率谱，根据功率谱的分布与存入专家系统中的设备标准故障模式进行灰色关联度分析，依据关联度的大小，诊断通风机的机械故障类型。

5.4矿用高压异步电动机的检测及诊断技术

在煤矿生产中的水泵、局扇、提升机、压风机等均采用6kV高压异步电动机拖动，在其运行过程中，由于绝缘老化、机械损伤等原因，使电动机长期带“病”工作，致使电动机频繁烧坏，这不但会给煤矿带来很大的经济损失，而且也影响正常的煤炭生产。

常见的故障特征提取方法包括信号处理、模式识别和参数辩识。

现代信号处理技术的发展为故障诊断提供了强有力的工具，人工智能技术的应用大大提高了诊断的精度和范围。

模糊逻辑、人工神经网络、专家系统等人工智能技术都被应用于异步电动机的故障诊断，取得了较好的效果。

异步电动机故障常见的检测与诊断方法有：

（1）局部放电检测。

高压电动机定子侧的许多电气故障都呈现出放电现象加剧的趋势，这种放电现象与电机的绝缘剩余寿命有关，所以放电强度的准确测定不仅可以提供早期的报警信号，还可以提供绝缘剩余寿命的信息。

利用检测定子电流的电流互感器（CT）和高频检测仪，或通过射频天线和带通滤波器检测局放脉冲，可辨别各种局放源以诊断定子的不同故障。

这种方法对有些低压电机效果较差。

（2）电流高次谐波检测。

定子绕组故障可引起定子电流的高次谐波增加，尤其是定子绕组匝间短路故障。

据研究，匝间短路时定子电流的5、7、11次谐波显著增加，其中5次谐波增加较多。

根据电动机故障所表现的不同特征，又分为对称故障和不对称故障两大类。

①对称故障如过载、堵转和三相短路等，这类故障最明显的特征是电动机电流明显增大，因此可通过电动机过流程度来诊断这类故障。

②不对称故障如断相、相间短路、匝间短路、单相接地和两相接地等。

有关研究表明，当定子绕组的一个线圈对中性点短路时，三相电流的幅值为1.07，0.89，0.91。

因此，利用定子电流的不平衡现象检测异步电动机的定子绕组故障较为方便有效。

这类故障最明显的特征是电动机电流中出现负序电流和零序电流，因此以零序电流和负序电流分量作为鉴别不对称故障的判据有较高的可靠性。

不对称故障根据故障点的不同又可分为接地性和非接地性两大类，故障的类型不同其信号的检测方法也不同。

（3）磁通检测。

电机的定子故障会使内部磁通在径向和切向上的分量发生变化，所以只要检测出这两个分量的磁通变化情况，也可诊断出定子故障。

这种方法在高压电机的定子侧的多种故障检测得到了应用，但这种方法需要专门的磁通检测仪器，使用不方便，对弱信号不易检测。

6做好矿山机电设备维修的注意事项

6.1重视培训工作

设备的电子化、自动化是随着科学技术的发展而产生的，是提高劳动效率、降低运行成本的重要途径。

在设备购置及管理过程中要始终将技术培训工作放在首位，无论是从事管理工作还是从事设备操作与维修的人员都要接受技术培训。

其中机工、电工要做相互渗透培训，在职业学校和企业职工培训中心要增设机电共同维修的基础专业课程。

尤其在场工作中要做好继续学习的培训工作，机工要充分了解机械部分的工作要求与作用，当发生故障时先根据故障现象由最可能的～方或最容易判断和修理的一方去处理。

6.2重视技术改造工作

设备的技术改造是延长设备寿命的有效措施，在对设备进行技术改造时要注意机电共同参与。

为了进行机械系统的有效状态监测与保护，必须在改造过程中，充分考虑电气部分的可行性。

6.3建立完善的矿山机电设备维修管理体制

在设备维修部门的技术管理过程中要有统一的组织，统一的制度。

决不能将矿山机电设备绝对分家，当然有些工作是不能相互代替的，尤其是操作人员未经培训或未取得专业操作合格证时。

机械技术与电气技术管理的对立与统一矛盾始终要处理好，建立完善的机电共同维修的管理体制是保证设备完好运行的关键。

参考文献

[1]刘峻华，黄树红，陆继东.汽轮机故障诊断技术的发展与展望[J].动力工程，2001（4）：

1102-1105.

[2]张建文，丁恩杰，谭得健.国产电牵引采煤机工况监测和故障诊断技术的发展现状与前景[J].煤矿机电，2000（5）：

111-114.

[3]文强．提高机械设备使用性能的方法[J]．煤炭技术，2008。

（1）．

[4]安靖．安全维修六注意[J]．安全与健康，2005，（6）．

[5]贺全军．浅谈矿山机电设备管理EJ'1．矿山机械，2005，（3）．

目录

前言1

1故障检测诊断技术1

2设备故障诊断及维修类型2

3故障诊断技术的五项基本技术3

4故障诊断技术3

4.1诊断根据3

4.2信息采集4

4.3诊断方法4

5故障诊断技术在煤矿机电设备中的应用7

5.1矿井提升机检测与故障诊断7

5.2采煤机工况检测和故障诊断8

5.3通风机的检测诊断技术8

5.4矿用高压异步电动机的检测及诊断技术9

6做好矿山机电设备维修的注意事项10

6.1重视培训工作10

6.2重视技术改造工作11

6.3建立完善的矿山机电设备维修管理体制11

参考文献12