煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)故障成因檢測(cè)技術(shù)

陳亞萍

(蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué),甘肅 蘭州 730022)

無(wú)論是常規(guī)設(shè)備還是自動(dòng)化設(shè)備，都無(wú)法完全避免機(jī)械故障的產(chǎn)生[1]。但對(duì)煤礦地質(zhì)勘探設(shè)備盲目地進(jìn)行故障診斷，將會(huì)嚴(yán)重減低煤礦生產(chǎn)效率，并且在一定程度上增加煤礦開(kāi)采的成本。因此，要想避免地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)故障的發(fā)展，就必須注意對(duì)其故障原因的分析?；诖?，本文開(kāi)展對(duì)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)故障原因分析技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。

1 煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)故障原因分析技術(shù)

1.1 確定勘探設(shè)備機(jī)械振動(dòng)及其分類

在煤礦地質(zhì)勘探領(lǐng)域當(dāng)中，機(jī)械振動(dòng)是指勘探設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備上某一節(jié)點(diǎn)在規(guī)定位移量范圍以內(nèi)圍繞其均值或相對(duì)基準(zhǔn)時(shí)間發(fā)生的改變[2]。針對(duì)勘探設(shè)備機(jī)械振動(dòng)特點(diǎn)，按照其運(yùn)行時(shí)振動(dòng)信號(hào)的變化，對(duì)其振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行劃分。表1 為確定性振動(dòng)與隨機(jī)性振動(dòng)的細(xì)化分類結(jié)果。如表1 可知，不同類型的振動(dòng)信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出特征，因此將其振動(dòng)信號(hào)作為依據(jù)對(duì)其故障原因進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取不同的分析策略[3]。

表1 勘探設(shè)備確定性振動(dòng)、隨機(jī)性振動(dòng)的細(xì)化分類結(jié)果

1.2 煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集與處理

完成對(duì)勘探設(shè)備機(jī)械振動(dòng)的分類后，采集振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理，將采集的信號(hào)作為煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)故障識(shí)別與診斷的依據(jù)[4]。本文采用圖1 所示的流程實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的采集。

圖1 煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集流程圖

在采集過(guò)程中，可在信號(hào)通信信道中集成數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與信號(hào)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)信道中傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，以此種方式，保證對(duì)信號(hào)處理的頻率與效率[5]。完成數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，引進(jìn)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)采集的煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，先將信號(hào)群離散化，將呈現(xiàn)離散化狀態(tài)的空間分子離子進(jìn)行融合與重組。按照此種方式進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)的精細(xì)化處理，可以使信號(hào)描述的故障表示得更為清晰，從而確保管理人員及時(shí)感知機(jī)械振動(dòng)行為的發(fā)生區(qū)域，并根據(jù)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)械進(jìn)行自檢與運(yùn)行調(diào)試。

1.3 機(jī)械振動(dòng)時(shí)域與頻域分析

完成信號(hào)采集及預(yù)處理后，從時(shí)域與頻域兩個(gè)方面對(duì)機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行分析。在進(jìn)行信號(hào)時(shí)域分析時(shí)，先確定分析指標(biāo)，根據(jù)信號(hào)的反饋值提取振動(dòng)信號(hào)中的峰值數(shù)據(jù)、平均值數(shù)據(jù)、有效信號(hào)區(qū)間數(shù)據(jù)、低谷值數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，明確煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的峰值、低谷值、平均值及有效值[6]。振動(dòng)信號(hào)的峰值計(jì)算公式為：

公式(1)中，Xp表示為振動(dòng)信號(hào)峰值，即最大距離；t 表示為振動(dòng)時(shí)間；x(t)表示為在某一時(shí)刻下波形零線與波峰之間的距離。平均值的計(jì)算公式為：

公式(2)中，X 表示為平均值；m ax(x(t))表示為峰值；min(x(t))表示為谷值。有效信號(hào)區(qū)間數(shù)據(jù)的計(jì)算公式為：

公式(3)中，Xrms表示為等效信號(hào)區(qū)間數(shù)據(jù)；T 表示為波形周期。

當(dāng)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械在運(yùn)行中反饋了明顯的反饋振動(dòng)信號(hào)時(shí)，可以認(rèn)為機(jī)械中某元件此時(shí)存在運(yùn)行過(guò)程中的異常，將提取的指標(biāo)信息與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)域指標(biāo)范圍進(jìn)行對(duì)比，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械運(yùn)行情況的初步評(píng)估。在完成對(duì)信號(hào)的時(shí)域分析后，根據(jù)分析結(jié)果與指標(biāo)評(píng)估結(jié)果，對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。將信號(hào)的振動(dòng)周期/振動(dòng)頻率作為頻域分析的主要指標(biāo)，提取煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的頻率幅值，將幅值定義為機(jī)械發(fā)生振動(dòng)所產(chǎn)生的能量總和。當(dāng)振動(dòng)信號(hào)的特征頻率隨著幅度的增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)時(shí)，則可以證明此時(shí)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械中某元件呈現(xiàn)運(yùn)行異常。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域與頻率的協(xié)同分析，可以在實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械運(yùn)行定性分析的基礎(chǔ)上，定位振動(dòng)異常區(qū)段。

1.4 故障原因分析結(jié)果導(dǎo)出

在完成對(duì)機(jī)械反饋振動(dòng)信號(hào)的分析后，需要對(duì)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械故障進(jìn)行診斷，定位機(jī)械故障發(fā)生點(diǎn)。診斷過(guò)程中，技術(shù)人員需要按照預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化流程，對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取、處理與分析。根據(jù)故障診斷工作的進(jìn)度與診斷結(jié)果，將提取的機(jī)械故障參數(shù)與常態(tài)化參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，明確煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械故障的表現(xiàn)形式后，匹配機(jī)械的使用與運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行故障原因的精準(zhǔn)分析，排查不同元件的故障結(jié)果，生成一個(gè)針對(duì)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量驗(yàn)收?qǐng)?bào)告與故障診斷詳單。完成對(duì)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械故障的診斷后，考慮到此機(jī)械在運(yùn)行中的異常振動(dòng)會(huì)影響其使用效果或影響機(jī)械的勘探精度，為保證機(jī)械的常態(tài)化運(yùn)行，保證機(jī)械的使用滿足煤礦地質(zhì)勘探作業(yè)需求，終端管理人員與技術(shù)人員還需要定期對(duì)機(jī)械的振動(dòng)故障與異常的校驗(yàn)。根據(jù)校驗(yàn)中的需求，進(jìn)行故障的排查與預(yù)測(cè)。

對(duì)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械故障診斷結(jié)果與故障原因分析結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出，明確此步驟是保證機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵步驟。完成對(duì)所有相關(guān)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與錄入后，引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)，輔助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)振動(dòng)結(jié)果進(jìn)行精準(zhǔn)分析，掌握煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)的來(lái)源，保證振動(dòng)定位的高精度。此外，可在完成對(duì)機(jī)械的振動(dòng)檢測(cè)與原因提取后，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)行的二次復(fù)檢，將復(fù)檢產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)清晰呈現(xiàn)在報(bào)告中，全面規(guī)范機(jī)械設(shè)備的故障檢驗(yàn)行為，保證故障檢驗(yàn)工作的規(guī)范化、秩序化落實(shí)。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

通過(guò)本文上述論述，針對(duì)煤礦地質(zhì)當(dāng)中勘探機(jī)械振動(dòng)故障問(wèn)題，提出了一種新的原因分析技術(shù)，為了驗(yàn)證這一技術(shù)在實(shí)際煤礦地質(zhì)勘探設(shè)備運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中的應(yīng)用可行性，選擇以某地區(qū)煤礦生產(chǎn)企業(yè)作為依托，針對(duì)該生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行的煤礦地質(zhì)勘探工作，引入本文提出的原因分析技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目中勘探設(shè)備機(jī)械振動(dòng)故障原因的查明。選擇以該煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，將該組數(shù)據(jù)作為分析樣本數(shù)據(jù)，并對(duì)其原始樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。歸一化計(jì)算公式為：

公式(4)中，R'表示為經(jīng)過(guò)歸一化處理后的試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)；R 表示為原始樣本數(shù)據(jù)；minR 表示為原始樣本數(shù)據(jù)結(jié)合中最小歸一化量化指標(biāo)；maxR 表示為原始樣本數(shù)據(jù)結(jié)合中最大歸一化量化指標(biāo)。按照上述公式，完成對(duì)樣本數(shù)據(jù)歸一化處理后，得到如表2 所示的機(jī)械振動(dòng)故障樣本數(shù)據(jù)表。

表2 實(shí)驗(yàn)中勘探設(shè)備機(jī)械振動(dòng)故障樣本數(shù)據(jù)記錄表

正常情況下，勘探設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)振動(dòng)故障，則此時(shí)在各個(gè)頻段下其運(yùn)行數(shù)據(jù)均應(yīng)當(dāng)為0.00。在明確上述基本內(nèi)容后，利用本文提出的原因分析技術(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，并將分析結(jié)果繪制成如圖2 所示。

圖2 本文原因分析技術(shù)實(shí)例應(yīng)用結(jié)果記錄圖

從圖2 原因分析結(jié)果界面中顯示的內(nèi)容可以看出，本文原因分析結(jié)果與上述表1 中的數(shù)據(jù)相比，其分析輸出誤差數(shù)值均小于0.02。通常情況下，分析誤差數(shù)值小于0.05，得出的分析結(jié)果均具備地質(zhì)勘探設(shè)備機(jī)械振動(dòng)故障診斷的精度需要。因此，從上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明，本文提出的原因分析技術(shù)針對(duì)真實(shí)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)故障進(jìn)行診斷具有極高的診斷精度，可為后續(xù)故障原因分析提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

完成上述實(shí)驗(yàn)后，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本文原因分析技術(shù)得出的分析診斷結(jié)果，如表3 所示，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)存在的具體故障原因進(jìn)行分析。

表3 本文原因分析技術(shù)故障原因診斷結(jié)果記錄表

結(jié)合表3 中記錄數(shù)據(jù)，對(duì)該煤礦生產(chǎn)企業(yè)的地質(zhì)勘探設(shè)備進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)故障原因分析。表2 中各個(gè)節(jié)點(diǎn)分別代表不同故障原因，其中節(jié)點(diǎn)0 表示為勘探設(shè)備機(jī)械振動(dòng)不平衡；節(jié)點(diǎn)1 表示為勘探設(shè)備氣動(dòng)力偶；節(jié)點(diǎn)2 表示為勘探設(shè)備不對(duì)中運(yùn)動(dòng)；節(jié)點(diǎn)3 表示為勘探設(shè)備存在油膜渦動(dòng)；節(jié)點(diǎn)4 表示為勘探設(shè)備機(jī)械振動(dòng)過(guò)程中存在轉(zhuǎn)子徑向碰摩。從樣本I各個(gè)節(jié)點(diǎn)得到的分析數(shù)據(jù)可以看出，樣本I 煤礦地質(zhì)勘探設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，輸出節(jié)點(diǎn)3 的數(shù)值較大，同時(shí)伴有節(jié)點(diǎn)4的故障值，因此說(shuō)明樣本I 存在油膜渦動(dòng)主導(dǎo)，同時(shí)伴隨轉(zhuǎn)子徑向碰摩。從樣本I 各個(gè)節(jié)點(diǎn)得到的分析數(shù)據(jù)可以看出，樣本II 煤礦地質(zhì)勘探設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，輸出節(jié)點(diǎn)4 的數(shù)值出現(xiàn)異常，說(shuō)明樣本II 存在轉(zhuǎn)子徑向碰摩故障問(wèn)題。從樣本III 數(shù)據(jù)得出，輸出節(jié)點(diǎn)0 的數(shù)值較大，同時(shí)伴有節(jié)點(diǎn)3 和節(jié)點(diǎn)4 異常，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)III 存在機(jī)械振動(dòng)不平衡主導(dǎo)，伴有油膜渦動(dòng)和轉(zhuǎn)子徑向碰摩故障。樣本IV 各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，輸出節(jié)點(diǎn)2 的數(shù)值較大，同時(shí)伴有節(jié)點(diǎn)4 異常，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)IV 存在不對(duì)中運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)，伴有轉(zhuǎn)子徑向碰摩。樣本V 各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，輸出節(jié)點(diǎn)0、節(jié)點(diǎn)3 和節(jié)點(diǎn)4 存在異常，說(shuō)明樣本V 故障包括機(jī)械振動(dòng)不平衡、油膜渦動(dòng)和轉(zhuǎn)子徑向碰摩故障問(wèn)題。將上述分析內(nèi)容與該煤礦地質(zhì)勘探各個(gè)設(shè)備實(shí)際故障類型進(jìn)行對(duì)比，得出的對(duì)比結(jié)果均與上述內(nèi)容相符。因此，通過(guò)上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次證明本文原因分析技術(shù)的可行性。同時(shí)，也進(jìn)一步證明了本文原因分析技術(shù)的應(yīng)用具有較高的精度，可為煤礦地質(zhì)勘探設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行提供重要數(shù)據(jù)信息，并方便后續(xù)對(duì)其維護(hù)、維修和更換等決策方案提供依據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

第四次工業(yè)革命使得更多的現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)與社會(huì)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了融合，而在這樣的背景下，將分析技術(shù)應(yīng)用到煤礦生產(chǎn)和開(kāi)采領(lǐng)域當(dāng)中，能夠在極大程度上促進(jìn)其整個(gè)行業(yè)的發(fā)展?；诖?，本文通過(guò)開(kāi)展煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械振動(dòng)故障原因分析技術(shù)研究，提出一種全新的分析技術(shù)，并通過(guò)實(shí)例應(yīng)用的方式證明了該技術(shù)應(yīng)用的可行性以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在后續(xù)的研究當(dāng)中，還將引入更多現(xiàn)代化分析技術(shù)對(duì)勘探設(shè)備更多故障問(wèn)題的原因進(jìn)行探究。同時(shí)，由于時(shí)間和能力有限，在研究過(guò)程中并未考慮到分析技術(shù)的復(fù)雜性，盡管分析結(jié)果具備極高精度，但實(shí)際操作仍然需要專業(yè)技術(shù)人員操作實(shí)現(xiàn)。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，在后續(xù)研究時(shí)，還將嘗試引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以此提高本文分析技術(shù)的智能化和自動(dòng)化。