故障诊断技术在煤矿机械设备中的应用

时间：2024-05-04

霍龙跃

（山西煤炭运销集团有限公司山西省太原市 030006）

煤矿行业是我国的基础行业，与国家发展和人民生活具有密不可分的关系，随着我国装备制造水平的不断提升，煤矿机械设备的种类呈现了明显的复杂化演变趋势，以煤矿井下安全、高质量开采为基础，应对煤矿机械设备进行常态化故障诊断，科学提高煤矿井下开采安全系数，深度践行安全生产责任制。

1 故障诊断技术应用的必要性与工作特点

煤矿开采工作由于工作性质与工作环境的特殊性，设备故障出现概率比较高。如果不能及时地发现并解决问题，将会对煤矿开采工作人员的人身安全产生巨大的威胁。所以在平时的工作中对煤矿开采设备进行完善的检查和维护具有非常强的必要性。一方面使用故障诊断技术对设备进行充分的检查可以在第一时间掌握煤矿开采设备的使用情况，对潜在的故障进行排查，为煤矿开采工作的顺利进行提供保障。另一方面大量的工程作业给施工人员和机械设备都增加了很多无形的压力，设备出现故障的概率也随之增加，使用故障诊断技术对一直处于高强度工作环境的设备进行排查，可以有效发现并解决设备的故障和问题，提升煤矿开采效率的基础上，大大保障了施工人员的人身安全。

煤矿开采的工作环境地质结构复杂，空间也很小，机械设备长期在这样的工作环境下运作，很大程度上增加了磨损的情况。所以故障诊断技术在工作的过程中需要对各类不同的故障进行准确的诊断，有效识别故障的种类并分析解决的措施，提升故障解决的效率。同时，为了节省时间，故障诊断技术必须在第一时间做出反应，及时对故障进行识别和定位。另外，面对复杂的作业环境，故障诊断系统需要根据不同的状况完善数据信息，不断提升自主适应能力。

2 煤矿机械设备常见故障

《煤炭工业发展“十三五”规划》中明确，到2020年我国要实现煤炭供需基本平衡，煤炭产量控制在39 亿吨的目标，相比2016年我国煤炭产量33.6 亿吨，具有5.4 亿吨的产量差距。为有效满足《煤炭工业发展“十三五”规划》中的相关要求，应全面推进煤矿机械化开采，对机械设备进行故障检验至关重要。以下对煤矿机械设备常见故障进行介绍：

2.1 煤矿矿井提升设备故障

煤矿矿井提升设备在煤矿开采中占有重要地位，通过实际调查和统计分析可知，目前，该设备的主要运行故障包括起重机故障、绳索松动故障，这些事故一旦发生将产生严重的事故影响，危害煤矿井下开采人员的生命安全。

2.2 高压异步电动机设备故障

图1：轴承温度传感器安装示意图

图2：风电机组振动检测系统

图3：传动轴轴向和径向检测位置示意图

高压异步电动机设备具有长期运行特征，目前，其已在我国煤矿井下开采工作中得以广泛应用，受到长期磨损影响，绝缘老化问题将严重危害生产安全。

2.3 煤矿采掘机设备故障

煤矿采掘机的有效应用大大提高了煤矿生产效率，该设备的常见故障主要包括内部电子元件损坏引发的参数异常变化。

3 故障诊断技术在煤矿机械设备中的具体应用

3.1 温度监测诊断

通过科学分析和实践调查可知，煤矿机械设备故障往往伴随着温度的异常变化，因此，可通过温度监测判断煤矿机械设备的运行状态，以下对温度检测诊断技术在煤矿机械设备管理中的具体应用进行介绍：

温度监测诊断技术诊断能力的发挥来源于温度传感器对机械设备温度的实时获取，考虑到煤矿矿井提升设备、高压异步电动机设备以及煤矿采掘机设备的故障发生风险以及故障危害，相关人员可在这些设备上灵活安装温度传感器，实时获取设备的温度数据。为提高温度监测诊断的精准性，应合理规划温度传感器安装位置。一般来说，滚动体、铰链、轴承及齿轮等机械构件上的温度能够有效反馈设备的运行状态，轴承温度传感器安装示意图如图1所示。在安装温度传感器的基础上，相关人员可在控制平台上对设备运行温度进行分析，结合设备的正常运行温度进行温度对比，一旦实际运行中的设备温度超过正常运行温度，设备管理人员需要立刻进行设备关停，并查明故障发生位置，完成煤矿机械设备的有效检修。要想进一步发挥温度监测诊断技术的作用优势，相关人员还可结合设备正常运行状态，设定运行温度限值，一旦温度监测诊断技术检测到设备运行温度超过温度限值，监测系统将立刻导出预警信息，支持设备管理人员开展故障检修。

3.2 振动检测诊断

由于煤矿机械设备在运行过程中出现故障时经常伴随着异常振动，可采用振动检测诊断技术进行故障分析和故障排除，以下对其进行介绍：

通过实际分析和综合统计可知，煤矿机械设备运行过程中转子运行故障、支撑系统运行故障以及连接故障均可能导致异常振动，正常运行状态下，机械设备的振动频率和振动频率相对稳定，在振动检测诊断技术的应用过程中，相关人员可结合煤矿机械设备在正常运行状况下的振动数据特征，分析煤矿机械设备在实际运行过程中是否存在不正常运行状态。若经过数据对比发现煤矿机械设备存在异常振动现象，则可判定相关机械设备已存在明显运行隐患，以此为基础，煤矿机械设备管理人员可进行故障检修和隐患排除[1]。另外，振动检测诊断技术能够有效地结合煤矿机械设备的运行环境，获取煤矿机械设备在一段时间内振动幅度、振动频率的变化数据，判断机械设备老化效果，科学支持设备管理人员对机械设备元件进行更换或煤矿机械设备整体更替，风电机组振动检测系统如图2所示。另外，在振动检测诊断技术的支持下，相关人员还能根据异常振动状态下振动幅度、振动频率与正常振动状态下机械设备振动幅度、振动频率的差值，判断故障程度，定位故障位置，提高机械设备故障检修效率[2]。

3.3 超声无损检测

在煤矿机械设备检修和管理过程中，超声无损检测技术具有较高的先进化程度，其能在不损害设备质量的情况下获知故障、缺陷发生位置，以下对煤矿机械设备管理中超声无损检测技术的应用进行具体介绍：

相关调查表明，2015年~2019年，全国煤矿数量分别为10800个、7866 个、6794 个、5800 个和5350 个，呈现了明显的下降趋势，这表明我国去产能工作已经全面转入结构性去产能、系统性优产能的新阶段。在该阶段中煤矿机械设备运行状态的保证至关重要，超声无损检测技术可向煤矿机械设备的指定位置发射超声波，通过分析波段在发射前后产生的变化，定位故障发生位置，判断机械设备运行状态。在实际检测中，可根据公式h=mD/n 计算缺陷深度，其中m 为缺陷回波到第一个物质界面波之间的距离；D 为传动轴直径；n 为传动轴地波和第一个界面之间的距离[3]。传动轴轴向和径向检测位置如图3所示。超声波无损检测技术相比温度监测诊断技术和振动检测诊断技术具有较高的精细化程度，能够对煤矿机械设备内部关键部件的实际状况进行分析，并根据反馈数据判断机械设备的使用寿命。

3.4 自动化技术

基于煤矿机器设备稳定运行对煤矿安全开采的重要意义，机械设备管理人员和其他相关人员应积极开拓技术视野，引进自动化技术，合理优化煤矿机械设备故障检测系统。

相关调查显示，2015年~2019年，我国煤矿平均年产量分别为34 万吨/年、43 万吨/年、51 万吨/年、61 万吨/年和70 万吨/年，可见煤矿井下机械设备的应用已取得显著成就。在自动化技术的支持下，煤矿机械设备故障检测系统可以有效地结合温度监测诊断技术、振动检测诊断技术和超声波无损检测技术，对机械设备的运行状态进行全方位获取。由于温度检测诊断技术、振动检测诊断技术和超声波无损检测技术具有不同的检测重点和检测优势，机械设备故障检测系统可对不同检测技术导出的检测数据进行分类储存和整合分析。在分类储存空间中，设备管理人员和设备检修人员可以按照相关需求进行设备温度信息、振动信息和关键零部件信息的针对性调取和分析。而在综合分析层面上，该系统可以结合多个检测数据，按照设备稳定运行需求，发出预警信息，支持相关人员快速完成机械设备故障检修，通过精准定位机械设备故障发生位置，提高机械设备故障检修的精准性和针对性，有效延长煤矿机械设备的使用寿命，提高煤矿井下开采工作的安全系数。