常彥鵬
(山西汾西礦業(yè)集團礦山設備管理中心,山西 介休 032000)
掘進機是實現礦井機械化及自動化掘進的關鍵設備,但是由于掘進機工作條件惡劣,煤巖硬度高、空氣濕度大、操作及維護不當等因素均可能造成掘進機故障頻發(fā),因此如何對掘進機各類故障進行快速識別及處置至關重要。但由于掘進機系統繁多、結構復雜,其故障信息離散性較大,因而故障診斷難度也較大,而聲發(fā)射技術作為一種常見的故障識別手段,與掘進機的故障診斷有諸多契合點[1-4]。
掘進機主要構成部分包括截割系統、裝載系統、運輸系統、行走系統、液壓系統、水冷系統、電氣系統等,結構復雜,精密性高。其故障類型主要可分為機械故障及液壓故障兩類。
1)掘進機截割部故障。截割部故障大多是由于截割量過大、帶負荷啟動或遇大塊硬夾矸等因素引起,常表現為截齒損壞、脫落、安全螺栓斷裂、截割頭轉動失效等故障現象。
2)掘進機行走部故障。行走部是整個掘進機的連接和支撐結構,負責行走執(zhí)行功能,其故障主要有履帶板斷裂、履帶松脫打滑、制動器故障、減速器故障等,從而導致掘進機行走功能受損。
3)掘進機主軸承故障。主軸承的故障主要是各類密封原件發(fā)生損壞或者失效,導致漏油漏水現象,損害掘進機的動力傳輸、潤滑以及供水降塵等功能,難點是故障點隱秘,識別及處理難度較大。
4)運輸系統故障。主要是刮板機斷鏈故障,刮板機卡鏈故障,刮板機鏈條斷裂故障,鏈條過松或過緊故障,均會造成掘進運輸環(huán)節(jié)卡阻,甚至連帶引發(fā)其他故障。
1)液壓系統供壓不足。表現在不出油、輸油量不足、壓力上不去、壓力不穩(wěn)定等,故障原因包括油路堵塞、濾油器堵塞、各類閥組失效、管接頭松脫、發(fā)生內泄漏等。
2)工作機構速度較低。表現在設備推力不足、爬行無力、工作速度逐漸下降甚至停止,故障原因包括密封失效、油路發(fā)生泄漏、供壓油腔與回壓油腔發(fā)生短接、油量不足、吸油量不足等。
3)噪聲、振動異常。表現在供壓管路的異常振動、噪聲增大,故障原因包括管路內進氣、管路堵塞、腔體內存在局部真空、氣蝕因素、泵體損壞、轉速過大、聯軸器松動等。
大多數材料或結構在外力影響時會產生摩擦或者裂紋,進而出現彈性波應變,通過聲發(fā)射這種無損檢測技術,可對彈性波應變信號進行接收和放大處理,聲發(fā)射信號能夠反映掘進機的故障信息,可對掘進機故障進行識別和診斷。
根據聲發(fā)射技術原理[5-6],可設計出掘進機故障診斷的聲發(fā)射檢測系統,如圖1所示。系統的基礎元件為聲發(fā)射傳感器,選用AE98型諧振式傳感器。但是由于傳感器接收到的信號十分微弱,還需要通過前置放大器及主放大器對信號進行放大,放大后的信號還需要進行噪聲過濾,再經過檢波器對信號進行降頻處理,得到適于系統使用的低頻信號,通過A/D轉換器得到計算機能夠處理的信號,上傳至計算機的信號時間間隔為10 μs,計算機配備數據庫進行數據存儲與分析。環(huán)境檢測模塊也至關重要,能夠過濾掉掘進機周圍環(huán)境的雜亂信號,與聲發(fā)射傳感器捕捉的故障信號進行區(qū)分,從而提高信號捕捉的準確度。
圖1 掘進機故障診斷聲發(fā)射檢測系統示意圖
利用聲發(fā)射檢測系統對掘進機行走部進行檢測,對故障信號進行識別放大,可得出故障信號的聲發(fā)射曲線,包括時間和頻率的關系,如圖2所示。圖中的聲發(fā)射曲線有三個波峰,與實際故障現象對應,第一個波峰代表行走部履帶板出現裂紋,第二個波峰說明隨著受力和時間延長,裂紋進一步發(fā)展,第三個波峰說明裂紋發(fā)展到一定程度,出現履帶板斷裂,掘進機行走部失效,無法行走。
圖2 時間和頻率關系聲發(fā)射曲線
諸如此類,可以對掘進機其他故障進行識別診斷,獲得各種故障的聲發(fā)射數據樣本,形成故障信息數據庫?;诠收闲畔祿?,利用MATLAB軟件對故障情況進行仿真研究,結合小波神經網絡的迭代收斂性質,對150組故障數據樣本的精確度進行驗證。得出故障數據樣本的精確度如表1所示。根據驗證結果可知,聲發(fā)射故障信息的正確率方面,截割部故障、主軸承故障、運輸系統故障、工作機構速度較低故障正確率均達到100%,噪聲及振動異常故障正確率為95%,行走部故障正確率為90%,供壓不足故障正確率稍低,為85%,主要是由于液壓系統出現內泄故障,容易被外界環(huán)境干擾,影響了準確度。
表1 故障數據樣本的精確度驗證情況
設計的故障診斷聲發(fā)射檢測系統,可以對掘進機的常見機械故障及液壓故障進行診斷分析,經實踐應用分析得出:故障診斷的正確率較高,能夠較好地被應用于現場實踐,但由于液壓系統的復雜性,以及故障信號易被外界干擾,供壓不足故障檢測的正確率稍低,仍須進一步改進。