采煤机的异常分析与诊断控制系统

丁帅华

（山西乡宁焦煤集团东沟煤业有限公司 山西省临汾市 042100）

作为中国煤矿的主要挖掘开采设备，采煤机在使用过程中的安全性、稳定性以及高效性始终是煤炭行业工作人员一直关注的问题。因此，针对采煤机在运行过程中出现的故障的诊断和预测，对于安全防护工作的开展具有十分深远的影响，本文所论述的基于模糊算法的采煤机的异常分析与诊断控制系统，经过完善的系统论证，证实其具有精确度高、稳定性优点等特点，能够有效保障采煤机的安全运行，为我国煤矿行业的发展，提出了新思路。

1 采煤机的常见故障种类分析

作为我国煤矿产业井下工作中最常见的三种设备之一，采煤机的工作状况，直接决定了井下作业是否安全，一旦采煤机在运转的时候发生故障，出现停机维修等现象，不仅会给煤矿企业造成十分严重的经济损失，同时，长时间停机也容易对井下工作人员的生命健康安全带来严重影响。为了最大程度保障采煤机运转使用中的稳定性，我国各大煤矿生产企业，均针对采煤机设立有专业的维修技术队伍，并合理利用采煤机的停机时间进行故障检修、更换零部件、电路检测等工作。但需要认识到的是，因为采煤机每天停机休息的时间极为有限，全部检修工作都只能停留在表面部分，无法对采煤机的深层次问题进行检测，只能够在故障完全发生后再开展排查作业，不能满足当前我国井下作业越来越高的质量要求，而采煤机在使用过程中的常见故障类型，大致可以划分成以下几个方面。

1.1 采煤机的机械故障

采煤机的常见机械故障主要包含有采煤机传动轴承故障（例如在电牵引采煤机当中，牵引部分和截割部分分别有各自的电动机进行驱动，其间经过多级齿轮减速增加转矩，虽然在设计之初已经考虑使用条件，但是因为工作环境的影响，仍然导致轴承故障多有发生）、采煤机传动齿轮故障（因为齿轮是采煤机当中重要的变速传递部件，由于设计失误、制作不精良、维护不善等情况，都将会齿轮运行的稳定性造成影响）、截齿磨损故障、传统系统故障等。此类故障在发生之后，采煤机在运行过程中将出现输出转矩稳定性降低、截割阻力提高等一系列问题，所以需要采用对传动电机进行转矩输出、对采煤机进行工作电流和工作电压的检测，来对问题的根源进行判定。

1.2 采煤机的液压故障

采煤机的液压故障，指的是工作人员在控制采煤机摇臂工作时所发生的定位不准确、液压油泄漏、换向卡组等方面的问题，该类型故障发生以后，采煤机的故障主要表现在液压系统工作压力变化幅度不正常、液压油的流量变化不正常等，通常情况下，工作人员可以根据采煤机液压系统的工作压力与流量的监控结果，来对故障的源头进行分析。

实际上，在采煤机当中，故障率最多的就是液压系统，因为采煤机牵引部液压系统具有自动调速、过载保护的装置，因此在运行的过程中，将会不可避免的出现故障。液压系统产生故障的原因、产生故障造成的现象以及故障部位之间的关系实际上非常复杂，维修人员在日常巡检的过程中很难对其进行精准判断，同时由于采煤机在井下作业环境非常恶劣，维修人员液压系统的拆解有着很高的难度，系统也有可能发生二次污染，所以，针对液压系统故障的排除，是采煤机故障排除中的一大难点。

1.3 采煤机的电气故障

在采煤机的日常运转过程中，电气故障是第二常见的故障类型。因为从客观角度来讲，采煤机的本质是一个机械装置，其机械系统和液压系统的正常运转都要依靠电气系统的调整和控制，一旦采煤机的电气系统发生故障，采煤机在使用的过程中就有可能发生控制失效等状况，针对此类型的故障通常可以针对传输控制信号与反馈信号的比对来进行判定。

常见的采煤机电器故障有变频器过热（由于井下环境温度过高，致使变频器的散热器温度过高导致报警，一旦发生散热器报警，调频脉冲的频率和输出频率就会降低）、过电流故障（由于短路、负载突变、接地、过负载等现象造成的设备内部故障）、过电压限幅（因为变压器已经达到了电压限定值最大值或者变频器斜坡下降时，若直流回路控制无效，则有可能发生电压限幅故障）、欠电压限幅（因为电网供电电源出现故障，亦或是供电电源电压和与其相对应的直流回路电压低于最低限定值所导致的故障）、电熔机温度信号丢失（负载电动机的温度传感器发生断联）等。

整体来讲，在煤矿生产行业当中，采煤机的重要性不言而喻，它是集合了机械、电子电器、液压传动于一身的复杂机械系统。并且由于采煤机的工作环境通常比较恶劣，在装卸运输煤矿的过程中，常常会受到来自煤矿、岩石的巨大冲击力，并且还受到了煤尘、水雾等其他类型的污染。尽管设计人员早已在采煤机的设计环节考量了其防水能力、抗污能力，但是在实际使用的过程中，因为采煤机所处的实际环境，致使采煤机的液压元件和机械部件发生磨损、电气设备出现故障，导致采煤机不能达到原有的使用寿命。若采煤机因故障而停止使用，整个煤矿的井下生产都将受到严重影响，因此，有必要建议一套健全的采煤机异常分析与诊断控制系统，以此来实现对故障的诊断和预警，提升采煤机的正常工作效率。为煤矿企业带来更加丰厚的经济效益。

2 采煤机异常分析和诊断控制系统概述

2.1 基于模糊算法的采煤机异常分析和诊断控制系统简介

作为煤矿开采过程中必须要使用的一种机械设备，采煤机的作用就是针对做挖掘的煤炭进行采集和装载，国内常见采煤机结构涵盖有电气、牵引、截割和附属四大部分。在此之中，电气系统主要功能是为采煤机提供动能，包括了有动力电动机和相关元器件；牵引装置功能让采煤机在具有一定的移动能力，并且操控其在采煤作业时的工作速率、保障采煤机运转，是采煤机运转的重要支持；截割设备的作用是让采煤机在工作中进行装煤和卸煤（截割装置是采煤机的最重要组成部分，是采煤机的重要部件）；附属装置则包含了控制、液压、移动等元器件，对采煤机的正常运行起到辅助作用。在采煤机系统当中，这些不同装置扮演着独当一面的角色，采煤机的正常运行，必须要依托上述四种装置的协同配合，只有这样，采煤机的运行效率才能得到最大程度的体现。

针对采煤机的异常分析和诊断控制系统，其涵盖有数据样本录入、人机互动页面呈现、诊断判定、故障确认等，其中，依靠采集采煤机的工作信息，同时依靠相关方法对这些数据进行处理，之后开展数据分析讨论，依靠人机互动页面对现场工作人员进行反馈，依靠数据的表达让异常信息更为清晰的进行呈现。主要涵盖有数据曲线、数据调阅、数据更正、显示图像、文字论述等形式。把所采集到的信息和原有信息库中的信息进行比对，对采煤机的故障进行分析诊断。数据信息处理主要是把异常故障和预测系统结合，最终得出结果进行处理，依靠人机交互界面，便于现场工作人员了解，以便于工作人员选择最为科学有效的技术，来对采煤机在运行过程中所发生的故障进行排除，保障采煤作业的顺利开展。同时，也有效控制了采煤机在使用过程中，故障逐渐加深，导致企业经济损失的逐渐增加，最大限度保护了企业的经济效益，为企业的良性健康发展打下了坚实的基础。

2.2 模糊算法

模糊算法的本质是一种数学方法，其包含了总体输出与单元输出形式这两种不同的形式。这两种不同的形式，在复杂程度上也有区别，单元输入的形式，其复杂性更高一些。因此为了可以让控制结果得到一定程度的简化，便于相关工作的开展，在模糊算法的形式选择上，一般就使用总体输出这种形式比较多，因为这样较为方便，可以大大提升工作效率。

通常而言，模糊算法涉及到多个不同的因素，具体涵盖了量化因子、模糊构成、近似推理、清晰化、以及比例因子等若干部分，据图分析结构。

模糊算法的具体实践当中，输入量一般具有连续性的明显特征，一般情况下可以将输入变量定义为X，那么针对输入变量的数学表达，可以通过以下公式来表示：

X=[x1,x2...xn]T

在上式当中，Xn表示输入变量的分量，n 代表分量的个数。与之类似的，输出变量的表达式为：

Y=[y1,y2...yn]T

在上式当中，yn代表输入变量的分量，因此可以得出量化因子的计算公式为：

模糊处理在进行计算处理的具体流程中，需要基于隶属函数，来展开分析求解。而对于隶属函数来讲，又涉及到分散性与连续性两种不同的函数类型，基于输入变量自身所表现出来的显著差异，可以结合其实际选择不同的隶属函数来进行求解。

根据模糊算法对应的基本控制规则，在一些条件受到限制的情况下进行近似推理，是值得思考的。这需要对条件语的设计予以优化，立足实际运行所面临的基本状况，合理制定模糊控制的相应规则。根据近似推理进行处理后，依托于清晰化的处理方法，对模糊处理得到的数据展开处理，让最终得到的结果，在一定程度上实现精确化，这一过程的实现，需要依托隶属分析、加权平均等手段进行处理，工作人员需要基于不同的情况对算法做出选择。通常情况下，工作人员所作出的选择，在有越多数据支持的情况下，选择会越发趋向于精准，因此，这一套基于模糊算法对采煤机异常分析与诊断控制系统能够让工作人员作出最为准确合理的选择。

2.3 模型构建

立足模糊算法，分析采煤机异常，以及对诊断控制系统予以分析，这就需要构建起对应的模型。借助模糊算法强大的拟合能力，突出强化预测、分析诊断方面的技术优势，构建起对应的技术模型，为采煤机今后的正常生产运转，提供一定的技术支持和保障。依靠采煤机在采矿作业中所表现的实时数据，对采煤机的运行情况进行数字化分析，把收集到的数据信号输入进模糊算法模型之中。然后，从隶属函数与量化因子的角度出发，合理进行选择，确定对应的数据，针对采煤机展开运行状况的分析，得出相应的结果。在模糊算法基础上，通过合理的计算程序，得出相应的关键信号，基于一定标准来判断采煤机的运行状态，是处在正常水平，还是存在异常状态，这是一个核心要点。

一般情况下，采煤机通常选择冷却系统信息、液压系统信息。齿轮转动系统信息、电力电流信息进行整合分析，对所收集到的信息开展归一操作，常见的处理方式一般有3 种，分别是高于阈值的处理模式、阈值内处理模式和低于阈值的处理模式，按照采煤机使用的具体情况，相关技术人员选取对应的方法开展处理。

依靠对归一模式运算的使用，参考采煤机工作中存在的问题，结合模糊算法系统，选取相应的归一化因子和隶属函数，对采煤机的异常分析与诊断控制系统进行模型的构建。

在具体实践中，构建了相应的分析模型之后，还应该关注到一个关键性工作，那就是针对模型进行验证。为了验证模型构建的过程是否合理，验证模型本身是否科学，就需要选择具体的采煤机，设定运行条件，采取相应时间点液压系统压力值，作为衡量标准进行判断。通过选择相应的输入变量，基于归一化处理等流程，合理分析数据。

3 结束语

整体来讲，笔者选用了模糊算法对采煤机异常分析与诊断控制系统进行模型构建，依靠选择对应的判断数据并开展归一化处理，同时根据实际工作状况选择对应的量化因子和隶属函数，对采煤机系统进行全面监控，通过与现实数据进行对比，发现所设计的采煤机异常分析与诊断控制系统对故障的预测精度较高，值得进行研究、推广和普及。