矿山机械状态监测与故障诊断综述

刘功生南华大学 机械工程学院， 湖南 衡阳 421001摘要：在充分了解机械设备状态监测和故障诊断技术的发展历程的基础上指出其存在的不 足；在了解故障机理的基础上提出煤矿机械常用故障诊断方法；列举出目前故障诊断技术在 煤矿机电设备中的应用实例，并指出该技术在应用中该注意的关键问题，最后预测其发展趋 势。为煤矿机械设备状态监测和故障诊断技术的深入研究发展及应用提供较完善的理论基 础。关键字：煤矿机械；状态监测；故障诊断；综述The Overview of Condition Monitoring and Fault Diagnosisin Coal Mine Mechanical EquipmentGongsheng LiuAcademy of mechanical engineering, Hunan Hengyang 421001Abstract: On the basis of fully understanding the development history of condition monitoring and fault diagnosis in mechanical equipment the text points out the shortages of the technique itself. And on the basis of having an understanding to the fault mechanism the text offers some common methods to the fault diagnosis of coal mine mechanical equipment. Some application examples of fault diagnosis technique to coal mine mechanical and electrical equipment are listed and some key problems which should be taken attention to in the application are also been pointed out in the text. At the last of the text the developmental trend of the technique are also being forecasted. All in all, the text will provide a theory to the research and application of the technique to the condition monitoring and fault diagnosis of coal mine mechanical equipment.Keywords: Nuclear equipment; Condition monitoring; Fault diagnosis; Overview目前，在煤炭工业企业中，事后维修和计划维修在现有的维修体制中仍占有重要的地位， 而这样维修体制不可避免地存在维修不足或维修过剩的问 1。为了避免这样的问题，煤炭 企业在设备管理中引入状态监测和故障诊断技术。该技术能对煤矿设备的运行状况进行监 测，并预测设备运行的可靠性，确定其整体或局部是否运行正常。同时还能对设备故障发展 作出早期预报，对出现故障的原因、部位及发展程度等进行识别和评价，并能预报故障的发 展趋势2。在煤矿设备的维修管理中，能帮助技术人员迅速地查找故障源，了解故障原因及 程度，及时作出应付措施。状态监测和故障诊断技术的引入，正促使事后维修、定期维修、 和计划维修管理体制向预知性设备状态检修体制转变，从而提高设备的可靠性和经济性，降 低生产成本，提高设备利用率。1 设备状态监测与故障诊断技术的发展历程设备诊断技术来自军事上的需要，在第二次世界大战初期间世。当时能用仪器进行设备 参数测定，相继开发了快速、多功能自动监测仪器。60 年代以来,随着航天工业的发展，可 靠性理论的应用，使设备诊断技术迅速发展。70 年代，随着计算机技术的发展和应用，使 设备故障诊断技术更加完整，主要用于航天、核电等部门。进人80 年代，在冶金矿山、交 通运输和化工发电等工业部门的设备上开始应用设备诊断技术，其发展日新月异，其重要性 日益明显。90 年代，在各领域已相当普及3。我国从 1979年开始，石化系统在红外诊断方面进行了研究，应用了声发射定位系统。 机械部门继一汽、二汽之后洛阳轴承厂开发了轴承故障诊断系统与装置。冶金部一些钢铁公 司应用设备诊断技术对冶金设备进行诊断。如武汉钢铁公司在有关院所的协助下，开展了离 心鼓风机和透平压缩机的状态监测和故障诊断。南京钢铁厂与南京航空航天大学开发了轧钢 机系列轴承在线故障诊断系统。煤炭部平煤集团公司与香港大卫、爱迪生公司合资兴建的平 顶山超普摩擦磨损实验中心，全套引进美国超普公司工业摩擦磨损润滑监测系统。国家矿山 机械质量监督中心开发了 LKMDS设备诊断系统。中国矿业大学开发了 KTD型旋转铁谱仪 及计算机磨屑图象分析系统。北京科技大学对矿用汽车故障诊断有较深的探讨。哈尔滨工业 大学开发了汽轮机模糊诊断系统。重庆大学开发了 CDMS 故障诊断和模态分析系统。这些 为我国设备状态监测和故障诊断技术的发展奠定了稳定的基础，为矿山机械的故障诊断创造 了良好的条件34。2 煤矿设备状态监测与故障诊断技术存在的问题我国在状态监测与故障诊断技术上的研究虽然取得了一定得进展及一些可喜的研究成 果，但在煤矿机械上的推广应用起步较晚，在技术和理论上仍不成 5。至今为止尚未形成 一套完整的理论体系和有效的诊断技术。绝大多数技术都是针对特定的故障、特定的设备来 研究的，目前设备故障诊断的研究都是根据故障的种类、特定的设备、特定的层次建立自己 的机电设备故障诊断技术。这些理论和方法在实际中广泛应用得较少，即使在实际中得到应 用，也没有一个完善的评价体系对其效果作出合理的评价。此外，故障诊断准确性也是一个 急需解决的问题。目前存在的具体间题如下：模糊理论、神经网络、小波分析、智能方法等研究热点主 要停留在理论研究上，实际应用较少；搭建的故障诊断操作平台烦琐且可操作性差，应用在 实际生产中既不便操作，也不便管理；许多机电设备故障诊断技术主要注重故障的诊断而没 有考虑设备故障的修复，为后面的修复工作带来不便；企业对设备故障诊断的重视不够，追 求短期效益，成熟的诊断技术应用于生产实际的较 6。3 故障机理通常说设备工作正常是指它具备应有的功能，没有任何缺陷，或虽有缺陷，但仍在容许 范围内。异常是缺陷有了进一步发展，使设备状态发生变化，性能恶化，但仍能维持工作。 故障则是缺陷发展到使设备性能和功能都有所丧失的程度。设备的异常或故障是在设备运行 中通过其状态信号 （即二次效应 ）变化反映山来的。由于监测与故障是在设备不停机的情况 下进行的。因此，必然以状态信号为依据。二次效应就是设备在运行中出现的各种物理的、 化学的现象、如，振动、噪声、温升、油耗、变形、功耗、磨损、气味等，这些都是一种设 备运行所固有的。监测与诊断就是要快速、准确地提取设备运行时二次效应所反映的特 7。 4 矿山机械常用的故障监测和诊断方法4.1 状态监测方法状态监测的方法很多，这些方法都是利用设备运转中出现各种不同的异常征兆时所发出 的相应的信息，例如振动、噪声、温度、应力、油质、磨损微粒、电磁等的变化，采用相应 的监测手段，对设备进行监测。主要的监测方法有以下几类：振动和噪声监测、油液监测、 温度监测、X射线监测、超声与声发射监测、应力应变监测、气体泄露监测等。矿山企业采 用何种方法，要根据不同的监测对象和目的，以及经济上的可行性加以选择。4.2 故障诊断方法完整的设备故障诊断技术包括四个内容，即：故障检测、故障分析、故障识别和故障预 测。现代诊断技术正沿着这四个方面，从理论到测试手段不断得到完善，并逐步实现检测功 能硬件化和各种软件系统化。而在矿山机械设备的故障诊断技术中，最主要的是振动监测与 诊断、润滑油样分析、红外测温诊断和无损探伤，这些手段为设备的维修提供了重要依据。 4.2.1 振动监测与诊断振动监测诊断技术是通过检测设备的振动参数及其特征来分析设备的状态和故障的方 法8。振动是诊断机器状态的重要信息。矿山机械在不同的运行状态会产生不同频率的振动， 所以，通过收集并分析振动信号，能够获得矿山机械的故障情况。振动检测可分为离线检测和在线检测，对煤矿实际情况来看，一般只使用离线检测，即 先通过简易诊断法对设备的各部位进行检测并采集数据，然后对振动较大部位的数据用精密 诊断法，主要是指频谱分析（ 包括幅值谱、功率谱、相位谱） 、细化谱分析和倒谱分析等技 术进行深入研究，以判断设备是否有故障及故障产生的原因、部位和严重程 9。4.2.2 润滑油样分析在矿山机械的循环运行过程中，润滑油在机器中循环流动，携带着零部件运行状态的大 量信息，可以提供机械零部件的损耗类型、部位和程度等诊断信息 10。目前常用的润滑油 样分析方法有油样光谱分析法、磁塞检查法和油样铁谱分析法，其中油样铁谱分析法是应用 最广、最有发展前途的润滑油样分析法。油样铁谱分析方法的基本原理11：其基本原理是将油样按一定的操作步骤稀释在玻璃 试管或玻璃片上，使之通过一个强磁场，在磁力作用下，不同大小的磨粒所能通过的距离不 同，根据油样中磨粒沉淀的情况来判断零件磨损的程度。可采用铁谱仪来观察残渣形貌及颜 色。采用这种方法不仅可以提供磨粒的类别和数量信息，而且还可以进一步提供其形状、颜 色和尺寸等直观特征。摩檫学的研究表明，磨粒的类别与数量的多少及增加的速度与摩擦面材料、磨损进程有 密切关系。因此，采用铁谱分析方法可以判断磨损故障的部位、严重程度、发展趋势以及产 生的原因等方面发挥全面的作用。近几年来，研究和实践的结果更进一步表明，铁谱分析方法比其他诊断方法，如振动诊 断法、性能参数法等能更早期地预报机器的异常状态，证明这种方法在应用上的优越性。因 此，尽管这种方法出现较晚，但发展非常迅速，应用范围日益扩大，目前已成为机械故障诊 断中举足轻重的方法。4.2.3 红外测温诊断红测温诊断技术是设备诊断技术的一种，它是利用红外技术来了解和掌握设备在使用过 程中的状态，确定其整体和局部是否正常，早期发现故障及其原因，并能预测故障发展趋势 的技术12。矿山机械运行状态不正常时，往往温度会发生异常，如异常升高等。由于机械的温度不 能直接测定，因此要借助于物质的某些与温度变化有关的物理特性来进行间接测量，如利用 物质的热膨胀、电阻、热电效应、辐射能等。红外测温的原理是将机械发射的具有辐射能的 红外线转变成电信号，由于红外线辐射能的大小与机械的温度相对应，因此可以根据电信号 的大小来确定机械温度的高低。当使用红外测温手段对矿山机械进行故障诊断时，最核心的 问题是必须要准确获得被测设备的温度分布情况或故障相关部位的温度值。因此，为了提高 红外测温的准确度，必须在对检测结果进行分析处理的同时，采取相应的对策来选择好的检 测条件，或者对检测现场结果进行合理的修正。4.2.4 无损探伤1315矿山机械设备的表面及内部在长时间运作之后，不可避免地会存在一些磨损和缺陷，如 表面产生裂纹、气孔等。随着使用时间的延长，这些磨损和缺陷会日益发展，导致设备和人 身事故。所谓无损探伤，就是利用光、磁、声和电等特性，在不损害或者不影响机械设备使 用性能的前提下，检测机械设备是否存在损伤或缺陷，并给出损伤或者缺陷的数目、大小以 及形状等参数，进而得以对机械设备的故障情况作出判断。无损探伤可采用的检测方法有很多种，常见的主要有：超声检测、射线检测、渗透检测、 涡流检测和磁粉检测等常规的检测技术，同时也包括有超声相控阵检测、激光检测、红外检 测盒微波检测等无损检测新技术。由于各种无损探伤检测方法的适用范围各不相同，因此，要根据具体设备可能的故障情 况来选择合适的无损探伤检测方法。利用无损探伤检测技术有计划、有针对性地在煤矿机械 设备的制造和维修中对重要部件进行监测与诊断，进行质量监控与寿命评估，防止因重要构 件的失效而引起重大安全事故的发生。5 故障诊断技术在煤矿机电设备中的应用故障诊断技术在煤矿机电设备中的应用实例很多，这里只介绍四种典型的应用。5.1 矿井提升机检测与故障诊断1617提升机是矿井生产、运输的主要设备之一，它担负着提升原煤、矸石、下放材料、升降 人员和运送设备的任务。提升机运行的安全可靠性状况不仅直接影响煤矿的生产，还影响到 煤矿生产人员的生命、财产安全。为了确保提升机的安全运行,许多科技人员开展了大量的 研究工作，取得了一些成果，开发出了不少提升机的检测诊断装置，如中国矿业大学研制的 KJ46型矿井提升机状态监护系统、ASCC型全数字提升机控制系统等都包含了对提升机运 行参数的检测和故障诊断功能，具有制动失灵保护、过卷保护、超速保护功能，取得了比较 好的效果。矿井双筒提升机松绳现象经常发生，而松绳现象常常带来很大的危害。这里介绍一种简 单实用的松绳检测装置。该装置主要由单片机和霍尔传感器组成，其原理是：在提升机每个 天轮一侧安装一周小磁钢，并在适当位置安装霍尔传感器检测两天轮的转速，在正常运行（即 无松绳）时，两天轮的转速相同，则两个传感器输出的计数脉冲个数基本相同，该装置内单 片机计算出的两天轮的行程差几乎为零；当钢丝绳出现松绳现象时，两天轮的行程不同，该 装置可计算出两天轮之间的行程差，当行程差达到预报警值时发出松绳报警信号；当行程差 达到保护值时，该检测装置发出控制信号，使提升机及时刹车，起到保护作用。5.2 采煤机工况检测和故障诊断1819我国从20 世纪80年代后期开始研究交流电牵引采煤机，与国外先进采煤机相比，国产 采煤机的整机水平还有相当大的差距，主要表现在检测范围很不全面、检测参数较少，基本 上无故障诊断功能。为了从根本上改变国产采煤机检测水平低、无系统化的故障检测诊断功 能的落后状况，原煤炭部将“电牵引采煤机工况检测及故障诊断系统”的研制列入了“九五” 重点科技攻关计划。该故障检测诊断系统主要有：（1）左、右摇臂检测单元；（2）机身外围 检测单元；（3）高压控制箱检测单元；（4）变频器通信单元；（5）工况检测及故障诊断单元。 （6）检测 15214mm 显示单元。5.3 通风机的检测诊断技术20目前用于通风机故障检测诊断的产品寥寥无几，比较典型装置是江西煤炭工业研究所研 制的 KFCA 型通风机集中检测仪、煤炭科学总院重庆分院研制的 FJZ 型矿井主风机在 线监测与故障诊断仪。其主要特点是：16位中央处理器、丰富高效的指令系统、四通道 10 位 A/D 转换器、高速输入/ 输出接口、8 个中断源、两个 16 位定时器、16 位监视定时器和 具有多用途的接口。故障诊断采用灰度理论，对风机故障类型进行快速定位。首先利用高精 度加速度传感器测出通风机敏感部位的振动加速度，并计算其烈度值和功率谱，根据功率谱 的分布与存入专家系统中的设备标准故障模式进行灰色关联度分析，依据关联度的大小，诊 断通风机的机械故障类型。5.4 矿用高压异步电动机的检测及诊断技术矿用高压异步电动机在矿山生产中的地位也及其重要，一旦发生故障，不仅仅会给煤矿 带来较大的经济损失，还会影响到煤矿正常的生产运营。常见的故障特征提取方法包括信号 处理、模式识别和参数辩识。现代信号处理技术的发展为故障诊断提供了强有力的工具，人 工智能技术的应用大大提高了诊断的精度和范围。模糊逻辑、人工神经网络、专家系统 21 等人工智能技术都被应用于异步电动机的故障诊断，取得了较好的效果。异步电动机故障检 测与诊断方法主要有：局部放电检测；电流高次谐波检测；磁通检 22。6 煤矿机械设备故障诊断技术应用的关键问题故障诊断技术应用关键在各种故障信号的测量方法选定后，故障诊断技术在矿山生产中 具体的应用关键还应注意以下几个方面：1）选择合适的测点位置，尽可能靠近能反映重要设备运转信息的故障源,能够决定关键 设备和工艺流水线能否正确生产状态信息。常用的典型测点有：轴承、转轴、机壳、机座 缸体、缸盖、液（气）出口等部位。2）测取尽可能多的信息，反映设备的震动、噪声、亮度、压力、应力、温度、电压、 电流、功率等信号。有的信号不但要定时抽取，还需要连续测记；有的信息不但要二维测量， 还需要三维测量。3）建立基准（正常或额定运行时）的信息库。在设备安装调试正常运转后，所测定的 上述各量对照设计值确定一组额定值和允许变动的范围作为基准值对照表，当设备不正常 时，所测取的值就能和基准值进行比较，经诊断后发出需要维修的提示信息。当设备故障严 重时除了能发出警告信号，甚至还能控制设备进入保护状态。7 煤矿机械设备故障诊断技术的发展趋势根据当前计算机技术、信息技术以及现代信号处理技术的迅速发展，煤矿机械故障诊断 技术的发展趋势体现在以下几个方面：1)结合最新的传感与测试技术；2)结合最新的信号 处理方法，如自适应信号处理、小波分析、数学形态滤波、几何分形、混沌和独立分量分析 等；3)与多传感器信息的融合；4)多智能方法的融合，如模糊逻辑、神经网络与专家系统 结合的诊断模型等；5)远程故障诊断技术。8 结论煤矿机械状态监测和故障诊断技术对于了解和掌握煤矿机械在使用过程中的状态，确定 其整体或局部是否正常，早期发现故障及原因并预报故障发展趋势具有重要的指导意义，对 矿山作业的安全生产提供了可靠保障。但是，虽然国内煤矿机械状态监测和故障诊断技术在 理论研究方面有不少进展，但很多研究都只停留在理论上，在实际应用中存在较大的困难。 因此，如何将先进的状态监测和故障诊断技术应用到煤矿实际生产中还有待更深入的研究。 这需要把技术研究与企业设备生产的实际情况以及现有的技术条件相结合，以解决企业最实 际的问题。参考文献1 王海波.设备状态检测和故障技术在煤矿的应用J.煤矿机械，2010,19(7):73752 郑德超.浅谈矿山机械设备的状态检测与故障诊断J.技术研发，2011, 18 (4)： 593 赵显东.设备诊断技术的发展及在矿山机械上的应用J.矿山机械，1999, (2)： 45474 龚雪，张克仁.工程机械故障诊断技术的现状和发展趋势J.建筑机械，2010, (23) :19395+975 李强，张洛平，王会良.状态监测与故障诊断技术在矿山提升设备上的应用J.煤矿机械，2009,30(4):2212226 李勇.煤矿机电设备的故障检测与诊断C.中国煤炭工业协会，20117 刘永梅.矿山机械故障诊断与维修J.甘肃科技，2009,25(17):87888 王江萍.机械设备故障诊断技术及应用西安M.西安：西北工业大学出版社，20019 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