淺談故障診斷技術在礦山機電設備維修中的應用

唐偉

（鄭州煤電股份有限公司 河南鄭州 450000）

現(xiàn)如今，由于我國的市場經(jīng)濟發(fā)展速度較快，對煤炭資源的需要量也日益增大。在我國煤炭資源中，煤炭的開采效益一直是我國煤炭企業(yè)所關注的重要問題，而改善煤炭采礦效率的有效舉措主要是提高煤炭的采礦機械設備，并積極引入先進、科學的采礦技術。當企業(yè)采用煤炭機械技術設備時，由于特殊的環(huán)境以及長時間地采用機械設備會造成機械技術設備發(fā)生失效，從而影響我國煤炭企業(yè)的采礦質量和開發(fā)效益。為保證機械的正常工作，有關人員必須科學合理地運用故障判別技術，將故障診斷的項目技術運用到礦山內機械設備的修理中，既適應當前的國情，又吸取了先進的科學技術與經(jīng)驗，這就能夠很好地改善礦山的質量管理，改善現(xiàn)有的維護制度，增強機械設備的穩(wěn)定性，使之更符合中國特色社會主義市場的操作規(guī)范。

1 機械設備故障診斷技術簡介

1.1 設備故障診斷技術的發(fā)展概念

從根本上來說，設備故障診斷技術是一項安全措施，即在不影響生產流程的狀況下，檢查該設備的各個主要組成部分的參數(shù)是否在該裝置最佳使用狀況的范圍之內。通過比較精密的儀器和儀表上的數(shù)據(jù)，來了解被檢查的裝置是否適合長期操作，能否起到正常的功能用途，是否有損壞或者一定程度的參數(shù)值發(fā)生了變化，或者一旦出現(xiàn)異常，究竟是由于何種因素而導致的問題發(fā)生，損壞程度又是多大，還能否持續(xù)使用，同時，還要通過部分的損壞程度測出可以持續(xù)使用的時間長短，以及評估其是否還能夠使用替代性的電子元器件來延長使用時間，從而降低成本等。這一切都是可以在檢查裝置正常工作狀況下實現(xiàn)的［1］。

1.2 設備故障診斷技術的基本原理

顧名思義，機械設備故障問題是通過檢測外在整個機械設備上顯示出的不協(xié)調性現(xiàn)象，也就是說機械設備經(jīng)過檢測后發(fā)現(xiàn)了設備故障現(xiàn)象，而這個現(xiàn)象的形成是由于元器件損壞或者在實際運用過程中受到某些影響，可能是長期而不間歇的使用，也可能是電源流通量過大，又或者是機械設備不正確的運行，所造成的技術參數(shù)值異于正常出廠設置偏大，更通俗地講是機械設備運轉不準確。如果出現(xiàn)了故障，這些參數(shù)的改變就外顯到部件的某個物理變化上，而這些改變就被稱為特性因子，也簡稱特征參數(shù)。這些機械特性參數(shù)中，可以很敏感地反映機械系統(tǒng)故障狀況的值被稱作故障判別的敏感因子，當設備不工作時，敏感因子的數(shù)值被稱作閥位。不要單純地只看到設備表面的改變而忽略了本質性問題，有可能電氣設備從外看并不存在任何異常或功能不健全，但是由于檢測出的特性參數(shù)不正常增大，這也算是一個電氣設備故障，而只有當這些主要參數(shù)在所設定的區(qū)域內變化波動，才能算是電氣設備在正常工作。特性參量是隨出現(xiàn)故障問題嚴重性的增加而增大，也就是說，出現(xiàn)故障問題影響程度愈大，特性的主要參數(shù)也會愈大。綜上所述，可通過測量出來的特性參量來確定出現(xiàn)的故障問題。其基本原理是：由于故障程度和特性基本參數(shù)是呈正相關性的，而這個特性基本參數(shù)往往要比外在的現(xiàn)象的故障程度要精確。也就是說，可以利用不同的元器件的特征參數(shù)，來判斷哪些元器件存在了故障問題、這些問題是否會影響整個機器的正常工作，以及如何才能不被更換持續(xù)運行，這也正是設備故障技術的基本原理［2］。

2 礦山機械裝置故障形成的因素

2.1 配合關系的變化

當機械設備發(fā)生故障后，人們在對故障部位觀察時發(fā)覺大多故障的形成均是由零部件的自身磨損程度和零部件之間原配關系產生改變而引起的。零部件損壞是指零部件原有形狀和規(guī)格比原來設定的性能出現(xiàn)了偏差，該偏離是由于設備在運用途中，各方面原因對零件共同作用形成的后果。零部件常見損壞主要由老化磨損和意外損壞引起。

2.2 設備的超負荷運轉

各臺設備在設計時都對輸入與輸出參數(shù)設定了限制，當設備實際輸入、輸出中的參數(shù)超過所設定輸出值的極限時，其正常工作狀況將會發(fā)生破壞出現(xiàn)故障。當機械設備發(fā)生超負荷運行而造成的故障時，就必須對機械設備技術參數(shù)作出適當調整，并采取相應修復措施，以提高機械設備工作的能力［3］。

3 故障診斷技術在礦山機械設備修理中的使用方法

3.1 故障記錄參考法

此種故障診斷技術運用的重點就是構建礦山機電器件故障判別信息庫。這就需要有關科研人員在平時的工作當中，通過運用信息系統(tǒng)或依賴性元器件，對設備事故發(fā)生率更多的部位進行細致的排查、剖析，將其表現(xiàn)的特點、形成的成因及其解決方式加以概括、匯總，或進行某種形式的錄入，進而形成礦山機電器件故障判定信息庫。在企業(yè)的礦山或機械設備維護處理過程中，如果有與此數(shù)據(jù)庫中相似的機械設備故障發(fā)生時，就能夠按照以往的工作經(jīng)驗進行迅速、正確的修復，以便提升工作品質與工作效率等。

3.2 溫度、氣壓檢測法

在礦山機械裝置的一般工作流程中，其軸承、傳動箱等有關部位的工作溫度和氣壓參數(shù)是相對恒定的。因此，首先可將此參數(shù)形成數(shù)據(jù)并加以記憶；其次，對各種裝置、各個部位進行有關參數(shù)的測量并與記錄的數(shù)值相對比，以精確、迅速地判斷當前機電裝置的運行狀況，對出現(xiàn)故障的裝置進行有效的修復，保證礦井開采工作的順利進行。溫度、水壓測量技術有著直接、快捷的優(yōu)勢，是現(xiàn)階段礦井機電裝置檢修中最為普遍的故障診斷技術手段。

3.3 數(shù)學模型診斷法

數(shù)學模型的診斷法是由企業(yè)技術部門的科技人員利用數(shù)學的算法，對礦井機電裝置的一種復雜非線性映射關系而形成的數(shù)學檢測模型，并以礦井機電設備故障所產生的隱秘性和漸變性現(xiàn)象為基礎，建立了顯示故障產生原因和表現(xiàn)預兆現(xiàn)象之間模糊關系的矩陣。在對礦山機電設備的實際故障進行診斷與處理的過程中，還可以根據(jù)自身專業(yè)經(jīng)驗對該矩形陣加以調整，以形成定量、定性分析方法和專業(yè)經(jīng)驗間的統(tǒng)一、融合，進而實現(xiàn)故障診斷的高精確性。設備故障診斷數(shù)學模型的建設主要是以電腦制圖平臺為基礎的，其主要任務之一便是為診斷方案提供必要的基礎［4］。

4 故障診斷技能及在礦山機械設備修理中的運用

4.1 診斷類型

故障診斷在礦山機械設備維護中的重要目的：對機械設備進行計劃性的狀況維護檢測，以保證機械生產裝置能夠持續(xù)運行。通常情況下，礦山機械設備故障判別維護檢測，根據(jù)其種類大致可以分為如下幾個類別。

4.1.1 事后維護檢修

事后檢測主要是指針對當?shù)V機械裝置故障后所采用的一個處理，但卻并沒有實行主動性措施，這就是由于當時大部分的機械裝置是在毫無準備的狀況下進行的，所以對于礦機設備的事后故障診斷的這種措施，維護檢修人員維修質量并不高、效益也不理想。

4.1.2 按照一定的運行周期進行檢修

這種維修方法相對穩(wěn)定，雖然相對帶有強制的含義，但實際上也是人對機器的相對責任的體現(xiàn)。而且這種方法的檢修也相對容易，在大多數(shù)情況下是按照機器所提供的既存的正常使用年限和保養(yǎng)時間進行具體操作。雖然這樣在外看似乎是增加了勞動成本和人工支出，但實際上是磨刀不誤砍柴工，因為這在某種意義上也是對生產成本的一個節(jié)省，對機器設備的積極保護，從而可以提高機器設備的壽命，拉長了使用期限，可以及時發(fā)現(xiàn)大問題而進行維修，有效防止了由于大問題所造成的機器長期停工問題［5］。

4.2 故障診斷的方法

4.2.1 參考故障歷史記錄診斷法

這個方法主要是根據(jù)礦山機械元件的系統(tǒng)內部構造原理，從發(fā)現(xiàn)的最突出的故障現(xiàn)象入手，對該局部故障現(xiàn)象的全部依賴性元電子器件和控制系統(tǒng)實行了分類排除，直至查明故障現(xiàn)象的癥結。當?shù)V山機械裝置發(fā)生故障后，對發(fā)生故障現(xiàn)象形成的過程加以詳細排查，便能夠得到最終確診結果，把上述結果合理地集中匯總后，便能夠建立一次故障診斷集。

4.2.2 智能診斷技術

智能診斷技術指運用整個信息系統(tǒng)，通過仿照人體大腦特性，合理地收集、傳輸、處理、再生和運用故障信號，并運用整個信息系統(tǒng)中已完成的專業(yè)人員的判斷經(jīng)歷和決策的一種方式。其主要分為模糊診斷法、灰色控制系統(tǒng)快速診斷方法、專家系統(tǒng)診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡判斷法等。由于礦山中機械設備故障往往存在著重復性和隱蔽性，通過傳統(tǒng)的機械檢測方式很難迅速、精確地檢測。而專家分析機制則可以綜合利用領域專家的工作和專門知識，通過仿真專業(yè)人員的思維，對故障信息加以分類解決，從而得到正確的檢測結果。采用人工智能的專家診斷系統(tǒng)，是指利用計算機來仿真一個在特定領域中有突出貢獻的專業(yè)人員，并運用其實際經(jīng)驗方法來處理設備故障的一個全新檢測方式。

4.2.3 儀器診斷技術

其檢測方法是通過機械設備的液壓控制系統(tǒng)的某些內部技術參數(shù)的控制，如氣壓、油溫、震動、泄漏、運行設備的轉速、扭矩等，然后經(jīng)過儀表的指示及電腦操作而得到診斷結論。檢測儀表可以大致分成3 類：通用型、專用型、綜合型。這些技術的開發(fā)方式大多都是非接觸式、便攜式、多用途和自動化。

4.2.4 數(shù)學模型診斷技術

數(shù)學模型檢驗技術指利用數(shù)理技術手段來處理裝置的故障問題的一類方式，一般是測出一個特性值，之后再經(jīng)過測試、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等信息來確定故障源部位。實質內容采用傳感器技術和動態(tài)檢測技術為主要手段，并以信號處理與建模加工為最基本的檢查技術手段。

5 故障診斷技術在礦山及機械設備修理中的具體運用措施

5.1 高壓異步機電動機的故障診斷技術

這種電機與其他發(fā)電機不同的是其故障判定工作效率特別高，而且在機電設備的故障判定中很常用，能夠保證礦井開發(fā)過程的順利進行。其主要是依靠信息與智能技術來進行故障判定，并且能夠有效、迅速地判斷機電設備出現(xiàn)發(fā)生故障的原因，從而大大提高故障判定的工作效率。在具體的機電設備故障判定流程中，能夠通過核磁檢查與部分放電法檢查這兩個方式組合起來進行故障判定，還能夠使用輸出電流波進行故障判定［6］。

5.2 采煤機故障診斷

從我國采煤機的故障判別技術被列入到國家九五重大技術計劃研發(fā)專項中開始，我國在此方面的技術進展速度就獲得了很大的提高。但對比外國領先的技術來說，我國采煤機故障判別技術的水平尚有待進一步提升，主要體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)參數(shù)檢測能力低、測量系統(tǒng)涉及的區(qū)域范圍狹窄和故障診斷功能不完善等方面。但是，由于測量單元、電力變頻器通信單元和故障診斷單元等測量系統(tǒng)在采煤機左右擺動臂中的廣泛使用，我國采煤機的故障概率已經(jīng)實現(xiàn)了明顯的降低。與此同時，通過對各實時生產工況的檢測，將信號傳送到電腦，繼而對機電設備進行了溫度、過流、太壓等保護，并將檢測結果顯示在液晶屏上作出顯示報警，從而降低了機械故障的發(fā)病率和由此形成的不良后果。

5.3 提升機故障診斷

提升機是礦山中搬運環(huán)節(jié)的主要機械設備構件之一，其工作狀況直接決定著現(xiàn)場作業(yè)人員的工作安全性及生產效力。由于提升機故障主要包括軟故障與硬件故障兩類，其中，軟故障同時也是硬件故障的前兆，有著很大的預示意義，所以有關人員就需要給予應有的關注，以保證預警與監(jiān)測的準確性。在此，筆者以雙筒提升機的松繩故障診斷為例，加以分析。為了實時地檢測該裝置部位的運行狀況，在提升機上的所有天輪上都安裝了一個小電磁鐵，并在合理的地方植入了霍爾傳感器，以便于對二天輪的速度進行測量，如果速度對等。當天輪之間的感應器脈沖輸出一致時，即可證實工作狀況良好；反之，則證明飛機存在了故障，因此，必須及時地剎停提升機，從而保證其在正常工作過程中的穩(wěn)定性。

5.4 煤礦電動機診斷技術

煤礦等機械設備故障中出現(xiàn)的電動機故障和放電故障，在處理這一類故障時，通常情況下，是使用互感器和測試儀對電氣設備故障進行判斷和測試。在實際的測試過程中，需要首先掌握設備出現(xiàn)故障時電機的工況數(shù)據(jù)，然后將獲得的工況數(shù)據(jù)與正常工作情況下的參數(shù)進行對比，通過比較數(shù)據(jù)的變化，確定電機出現(xiàn)故障的真正原因，從而選擇合適的方案處理故障現(xiàn)象。

5.5 其他機電設備故障診斷

除了提升機與采煤機以外，礦井機電設備中通風器等裝置也使用故障診斷技術，并將其應用在礦井機械裝置的檢修流程中。當前，正在研發(fā)并逐步運用在礦山機電裝置修復中的先進故障判別技術，有聲發(fā)射、鐵譜、測振、近紅外熱成像檢測溫度變化等，并獲得了良好的效益。社會經(jīng)濟在發(fā)展，生產技術也在提高，為了進一步提高礦山機電裝置修復的效果，必須緊隨新時代的發(fā)展腳步，更加重視先進故障判別技術的使用。

6 結語

煤礦企業(yè)在生產過程中必須使用機械設備，只有保證機電器材安全地工作，才能增加企業(yè)的效益。但是，由于礦井中機電設備長期進行超負荷工作，非常容易導致設備產生故障問題，從而影響礦井企業(yè)的正常生產品質和生產效益。因此，企業(yè)要針對具體的生產狀況選用合理的故障診斷技術，并以此來保證機電設備的正常生產工作，從而提升企業(yè)的生產效益。