煤矿机械故障监测诊断研究

学术论文 2017-09-07 10:28:19
  1 概述 
  就煤矿机械维修方式的发展过程来说,经历了事后维修、预防性维修、预知性维修和主动预防性维修这几个由“事后维修”到“预知维修”重要环节的转变。并且总结研究得出,前段部分的维修并不是计划好的、有目的的维修,所以也就并不能真正地取得多大的效果,并且还会给生产带来一些不必要的损失。而后一部分维修要想取得成果,就必须保证具备充足、完善的预知和预测未来的技术。这时,就诞生了现如今的状态监测和故障监测诊断技术。该技术的实施过程和功能主要是利用计算机网络技术在机械设备上建立状态监测点,采集设备运行数据,对设备运行进行分析、诊断,避免出现维修过剩或被迫停机现象。 
  2 采掘机械的故障监测诊断 
  2.1 状态监测诊断系统分析 
  通过状态监测的运用可以更为及时、全面地了解和掌握到机器早期失效的一些相关信息。就井下电牵引采煤机而言,主要包括采煤机控制系统、采高传感器、通讯工控机、安全生产监控网络和监控中心主机等几部分。其中,在某采煤机故障诊断系统中,很多相关的参数和数据(牵引速度、牵引电机各参数、截割电机的电流和故障等)都是由PLC控制器和牵引变频器采集得到的。滚筒升降、采机左右行、故障等数据的采集则可以通过2个摇臂电机同轴安装2个角度传感器来得到。就角度传感器来说,它主要是用来将两摇臂的角度信号转换为对应的电压信号的。首先,该信号在数据采集卡的使用下,与控制器联系到一起,于是便能够准确得到两摇臂的角度,为左右滚筒中心位置提供有力保障。其次,该信号将到达通讯工控机并被完整地接收和保存下来,在该过程中还要经历监控中心主机对送入的数据进行分析、处理并完成显示的过程。最后,在全面获得和掌握这些运行参数的基础上,要及时对动态数据库进行更新,在数据库中的监测数据可以为知识库所使用。通过对采煤机状态的掌握和分析,可以为故障的确定提供条件。另外,确定出来的故障要经故障评价系统送人机界面并反馈系统,制定经济有效的维修方案。 
  2.2 采掘机械常用的状态监测方法 
  2.2.1 振动检测法。在机器运转工作过程中,一旦机器内部不能正常运行的话,就会造成整个过程都出现不同程度的振动现象。此时就要进行振动监测措施,该措施主要是应用振动监测设备及振动技术取得机器的振动频谱来分析机器运行状态的过程。通过运动测量的实施,可以得到更为全面和准确的相关参数(速度、位移、相位等)。并在进一步分析、研究这些参数的基础上,了解到设备的当前状态,以便为设备故障的寻找奠定基础。将出现故障的地方与正常情况下的特性进行比较,就可以准确地对机器的工作状态进行判断和预测。而只有在严格对比测量数据与判断标准的前提下,才能真正判断出机器的工作情况。 
  就判断标准而言,包括绝对判断标准和相对判断标准两种方式。其中,相对判断标准的对象是同一个部位、不同时间的比较,而绝对判断标准的对象则包括机器全部的数据统计分析。具体的做法,以采煤机牵引电机轴承出现故障的情况分析来说,它主要通过处理振动信号和频谱图来找出具体的故障特征频段,通过这些频段的能量值就能发现设备运转是否正常、有没有故障出现。一旦振动极值超过参考频谱的2.5倍的时候,就表示该机器需要维修了。 
  2.2.2 温度记录传感器监测法。当工作中的设备出现异常情况(连接松动、故障或损坏等)后,就会使机器或者是部件的油温逐渐上升。此时,使用传感器与计算机监测系统相连接的措施,就可以达到连续监测机器温度的目的了。 
  2.2.3 油液分析法。该方法的主要依据是,通过全面诊断和了解油液中的磨损残留物、泄漏物的具体情况来分析故障的一种措施。另外,由于该法并不是在线分析的,故此还必须要进行现场取样环节,然后才能进行诊断。换言之,该方式较其他现场分析而言要花费更多的时间。 
  2.2.4 感应电流分析传感器监测法。就感应电流分析传感器来说,它的主要功能是用来探测电机转子断裂情况的。具体的运转方式为,通过一种机器供电电流的使用,来进行对高解析频谱的分析,进一步找出转子的不足,并给出相对准确的频谱分析图线,由此,便能更为清楚地了解到机器转子的状态了。 
  在出现装配不当的情况(定、转子间产生摩擦或轴承磨损、轴弯曲等)时,就会使得电机转子的静、动气隙偏离原来的位置,致使沿气隙圆周方向的磁导不能均匀地分布在该领域中,即气隙磁场分布不对称,也就会出现定子电流异常的现象。就定子和转子电流的关系来说,可以用一个公式来表示,即I1=I2/Ki(Ki为异步电动机的电流变换系数;I1为定子电流;I2为转子电流)。此式向我们清楚地展示了定子和转子之间的关系,转子电流的变化带动定子电流的变化,并且由于它们之间存在着很大的气隙,所以也有一定的磁阻出现在电流中对其造成一定的影响。如果在频谱图中出现气隙偏心特征频率的情况时,要在全面了解和掌握特征频率分量大小和变化的基础上,准确判断出来转子在气隙中的动态位移值。换言之就是,当转子出现断条、端环断裂、转子出现偏心等一系列的故障时,就会表现在定子电流的频谱图上。具体情况是,基频两侧将出现一个边频带,这时,我们在基频与边频电流幅值的比值基础上,就能得到准确的断裂转子条数目。   3 轴向柱塞泵松靴故障监测与诊断 
  在液压系统组成中,液压泵是其中一个极为重要的元件,它为液压系统的运用提供了主要的动力。为此,一旦该元件出现故障的话,就会造成整个系统的瘫痪、无法工作,这就要求我们在进行故障诊断的时候将更多的精力和时间用在液压泵的检测上。其中,轴向柱塞泵更是在大型机械设备中占据了关键的地位。这些泵在运行的过程中出现的故障有松靴故障、配流盘磨损故障及轴承故障等,这里面又以松靴故障最为普遍。 
  3.1 振动信号的组成和机理分析 
  就轴向柱塞泵的振动来说,它包括两个方面的内容:一方面,机械振动主要由柱塞缸体部分旋转带动大轴承产生的;另一方面,流体振动的产生是以柱塞腔的周期性液压冲击或者气穴、吸空为基础的。其中,液压冲击引起的振动是轴向柱塞泵振动的主要原因。为此,在对轴向柱塞泵进行故障诊断的时候要重点关注液压冲击引起振动的基频(f=nz/60)及其谐波频率。 
  另外,伴随着该故障的发生,会使得柱塞球头与滑靴套之间的间隙增大,也将伴有柱塞腔内油液压力的上升。换言之就是,在液压冲击逐渐增加的时候,还会使柱塞球头对滑靴产生强烈冲击。另外,在该冲击的影响下还会带来壳体的振动(附加冲击振动)。其基频表达式为f=nz/60,并且在研究附加冲击振动的基础上,还能得到轴向柱塞泵是否存在松靴故障以及松靴程度等多方面的重要信息。 
  3.2 振动信号监测位置的确定 
  就轴向柱塞泵液压的振动而言,它的发生可以经由三条路径来达到。第一条途径为,柱塞、滑靴、斜盘、变量头;第二条途径为,缸体到轴承,再到泵壳体;第三条途径为,缸体到配流盘,再到泵壳体。其中第一条途径主要反映的是柱塞吸、排油腔的液压冲击产生的振动和滑靴,而第二、三条途径反映的则是所有轴承和组件的运转情况。我们要研究的松靴故障则主要出现在第一条路径传送的过程中。由于该故障的附加冲击振动主要是通过第一条途径而到达轴向柱塞泵变量头上去的,为此,该位置就是最佳的检测部位。 
  4 设备裂纹故障监测和诊断技术的应用 
  在煤矿机械故障诊断领域中,设备裂纹故障的监测和诊断技术也是极为关键和不容忽视的。下面我们将具体介绍裂纹产生的一些主要原因及传统的诊断方式,并就该诊断的发展趋势和核心技术进行简要的探讨。 
  4.1 裂纹故障简介 
  由于很多的机器零件都是由金属材料制成的,它们又是在不一样的载荷及环境下进行工作的。为此,就会出现众多的机件失效形式(过量弹性变形、过量塑性变形、磨损和断裂等)。其中,最为严重的就要属断裂失效了,该故障直接关系着安全事故的发生和经济的损失。调查研究发现,断裂失效的过程是在宏观裂纹的扩展下产生的,该裂纹有可能属于工艺裂纹(冶金缺陷、铸造裂纹、锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹和磨削裂纹等)的范畴,也有可能属于使用裂纹(疲劳裂纹和腐蚀裂纹)的领域。以往在检测这些裂纹的时候,我们常使用的方法有观察法、听响法、测量法和液压试验法。 
  4.2 无损检测技术 
  就无损检验来说,它要求整个检验过程不能对零件、构件和材料有丝毫的破坏,要确保它们的形状、尺寸、成分及性能。通常使用的方法是物理和化学的措施来对其进行缺陷和物理性能的检测。现如今,我国已经投入使用的静态裂纹诊断的无损检测方法包括有超声波、液体渗透着色、磁粉、射线、涡流、微波和综合探伤法等。 
  4.3 设备裂纹缺陷诊断的现代技术和发展趋势 
  设备裂纹监测与故障诊断技术的研究对象是那些在工作中相对来说较为复杂并且也非常关键的设备,另外,该技术的应用必须建立在高新技术的基础上,并且还要掌握和融合多种工程技术系统设备及领域,该技术具备着极强的工程应用性。伴随着各相关技术的广泛普及和其应用研究的日益深入,已经为我国煤矿机械设备故障诊断技术指明了发展方向(传感器的精密化、多维化、诊断理论;诊断模型的多元化;诊断技术的智能化),具体来说为: 
  4.3.1 设备裂纹缺陷诊断方法的融合。就现如今的诊断方法来说,我们正在逐渐摆脱单一性质技术诊断的禁锢,并全面应用上了多参数、多故障的综合有效诊断方法,并且该诊断方法所应用的信息是极为普遍的,无论是噪声、振动、应力,还是射线都可以作为诊断的依据。此外,我们也在逐步研究一种新的措施,以便脱离原来的基于快速傅立叶变换的设备信号分析技术。 
  4.3.2 多元传感器信息的融合及虚拟仪器技术。目前,我们对一些较为复杂的设备系统的要求也在不断增强,为此,需要应用到众多的传感器来检测运行的设备,以便能够得到更为全面、准确的诊断结果。此时就诞生了虚拟仪器技术,该技术涵盖了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多个领域,具备着周期短、资金少、扩展性强和应用简单等多个优点。另外,它还具备着极高的经济效益,为故障诊断技术的前进和发展提供了良好的施展平台。 
  4.3.3 智能BIT技术研究与应用。该技术为系统和设备内部提供了故障检测和隔离的自动测试能力,改革和完善了原有技术在最优化设计、信息获取、分析处理和综合决策等方面的缺陷。它为装备测试和实用效能的增强奠定了基础。这些主要依靠的是该技术所具备的智能设计、智能检测、智能诊断与智能决策等众多优势。 
  4.3.4 基于网络的分布式故障诊断系统。现有设备裂纹故障诊断方法的应用并不是最为有效、准确的,我们通过研究分析发现,远程分布式设备监测与故障诊断系统能够在一定程度上解决传统方法中存在的问题和缺陷(单机操作形式、不支持在线监视等)。 
  5 结语 
  总而言之,在现如今这个技术不断发展,资源日益紧缺的环境下,煤炭资源的进一步开发和利用就显得尤为重要。这时,该工程所运用到的煤炭机械设备就是提供保障的关键因素,需要得到不断改革和完善,注重其可靠性、可用性、可维修性、经济性及安全性等方面的强化。换言之就是,要求我们逐渐将精力放到机械状态监测和故障监测诊断技术中去,以便为煤炭事业的前进和发展奠定坚实的基础。
二维码.jpg
上一篇压力容器无损检测技术选择与应用 下一篇变压器局部放电在线监测方法研究..
[责任编辑:花间一壶酒]