林汪洋

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

隨著中國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目體系的優(yōu)化和完善，安全生產(chǎn)問(wèn)題上升為受重視和討論的焦點(diǎn)。煤礦機(jī)械設(shè)備是煤礦開(kāi)采工作的首要支柱，一旦機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障，不僅嚴(yán)重影響煤礦開(kāi)采效率，甚至可能引發(fā)安全事故。故障檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用，能讓工作人員準(zhǔn)確獲取生產(chǎn)參數(shù)，保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因而需要深入研究故障診斷技術(shù)，提升監(jiān)測(cè)程度，確保生產(chǎn)安全和效率。此外，煤礦企業(yè)應(yīng)高度重視煤礦機(jī)械設(shè)備的維護(hù)工作，不斷提高和更新設(shè)備故障診斷技術(shù)，及時(shí)排除故障和安全隱患，確保機(jī)械設(shè)備安全有效運(yùn)行[1]。基于上述背景，研究機(jī)械設(shè)備的故障診斷技術(shù)對(duì)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

故障診斷的目標(biāo)是建立設(shè)備的預(yù)知維修體系或狀態(tài)維修體系，根據(jù)設(shè)備的故障情況，采取治理防護(hù)措施(巡回檢測(cè)、監(jiān)護(hù)維持運(yùn)行、立即停機(jī)檢修)，在確保安全的前提下，采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷后的維持運(yùn)行，避免不必要的停機(jī)，提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)行效率。綜上，本文旨在闡述礦山機(jī)械設(shè)備故障產(chǎn)生的原因，總結(jié)近年設(shè)備故障診斷方法的研究現(xiàn)狀，為國(guó)內(nèi)煤礦開(kāi)采人員以及相關(guān)領(lǐng)域研究人員提供參考。

1 礦山機(jī)械設(shè)備故障原因分析

機(jī)械設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)而復(fù)雜，對(duì)環(huán)境的要求差異較大，引發(fā)設(shè)備故障的因素也多種多樣，其中,首先是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性問(wèn)題以及制造工藝問(wèn)題，其次是人為操作不當(dāng)所造成的維護(hù)問(wèn)題。因此，這些設(shè)備在工作環(huán)境、設(shè)計(jì)、工藝和人員操作等環(huán)節(jié)中都有可能發(fā)生問(wèn)題。另外，隨著使用次數(shù)的增加，設(shè)備內(nèi)部會(huì)發(fā)生磨損、疲勞、斷裂、腐蝕現(xiàn)象或外部環(huán)境不良，工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫度升高導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生變形(無(wú)過(guò)載也會(huì)發(fā)生)，載荷過(guò)大也會(huì)產(chǎn)生變形，上述原因?qū)⒁l(fā)設(shè)備故障，縮短其使用壽命，間接降低其工作效率，甚至發(fā)生重大事故。由此,造成機(jī)械設(shè)備故障的主要原因有[2-3]：

1) 設(shè)備配合關(guān)系的變化。設(shè)備在使用中受載荷、溫度以及受力零部件的松動(dòng)等因素影響，使得有公差配合關(guān)系的零部件的初始形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能出現(xiàn)不一致變化。此外，設(shè)備內(nèi)部的零部件、螺絲等在長(zhǎng)時(shí)間互相摩擦中發(fā)生松動(dòng)、污濁也會(huì)導(dǎo)致相鄰零件在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程配合關(guān)系的變化。上述現(xiàn)象使得零件受損，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)，功率下降，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題[4]。

2) 設(shè)備技術(shù)有缺陷。機(jī)械設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、精密，只有采用先進(jìn)維修技術(shù)，才能準(zhǔn)確排除故障。目前，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，檢修人員基本憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)判定故障，無(wú)法提前預(yù)判故障，很難保證維修質(zhì)量。此外，相關(guān)采購(gòu)人員缺乏對(duì)此類設(shè)備系統(tǒng)性能的了解，導(dǎo)致所采購(gòu)的設(shè)備功能有缺陷，無(wú)法滿足需求。

3) 設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械設(shè)備都有其安全系數(shù)，在這個(gè)系數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行，能有效保障設(shè)備的質(zhì)量和使用壽命，短時(shí)的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)也能滿足。設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其電流變大，間接零部件的溫度會(huì)升高，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力釋放誘發(fā)變形。如果長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，設(shè)備線路及相關(guān)零部件很容易出現(xiàn)故障。

4) 設(shè)備操作不當(dāng)。一些工作人員安裝設(shè)備時(shí)，不熟悉設(shè)備系統(tǒng)，不了解設(shè)備整體特性，專業(yè)技術(shù)掌握不到位，僅憑經(jīng)驗(yàn)安裝，導(dǎo)致裝錯(cuò)方向，不僅嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在拆裝過(guò)程中，還可能使設(shè)備受損。此外，在對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行維修和拆卸時(shí)，不按規(guī)范操作，間接損壞設(shè)備的零部件，縮短設(shè)備的使用壽命，導(dǎo)致故障頻頻發(fā)生[5]。

5) 設(shè)備的老化。設(shè)備使用時(shí)間越長(zhǎng)，受內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)變化及外部運(yùn)行環(huán)境的影響越大，零部件的磨損、斷裂、變形就越嚴(yán)重，累積的維修操作加速設(shè)備的老化[6]。此外，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響設(shè)備的性能，加速設(shè)備的性能退化。

6) 設(shè)備潤(rùn)滑不到位或不及時(shí)。對(duì)使用中的設(shè)備進(jìn)行潤(rùn)滑，及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑油，是降低設(shè)備磨損的首要舉措。零件之間油膜的破壞會(huì)造成零件之間的摩擦，不能及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑油也是設(shè)備出現(xiàn)故障的一個(gè)重要因素。

2 機(jī)械設(shè)備故障診斷方法

2.1 設(shè)備故障診斷技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容

1) 數(shù)學(xué)模型的建立。設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多狀態(tài)數(shù)據(jù)，需要建立一個(gè)能夠精確反映設(shè)備性能狀態(tài)參數(shù)(如零部件溫度、振動(dòng)信號(hào)、輸出參數(shù)等)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)、或系統(tǒng)前后兩個(gè)時(shí)刻狀態(tài)變量之間的遞推關(guān)系的模型。所建立的模型能直觀、及時(shí)反映這些設(shè)備運(yùn)行情況，并對(duì)產(chǎn)生的歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，以便于故障的預(yù)判。

2) 信號(hào)的采集。目前主要利用傳感器采集設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，如速度、溫度、振動(dòng)、壓力等。這一步主要研究如何搜集有效信號(hào)，旨在任何條件下都能采集到平穩(wěn)、可靠的信號(hào)。某些礦山設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合特殊,環(huán)境比較惡劣，對(duì)傳感器要求高，要求其具備防塵潮、抗干擾、耐高溫等特點(diǎn)。

3) 信號(hào)的提取與處理。利用傳感器采集到的信號(hào)是設(shè)備原始信號(hào)，涉及范圍廣，有些信息無(wú)法直接反映設(shè)備運(yùn)行情況，因此要從所采集的原始信號(hào)中提取與設(shè)備工作狀態(tài)及故障有關(guān)的關(guān)鍵特征信號(hào)，與正常值進(jìn)行對(duì)比，這一步也稱為狀態(tài)檢測(cè)。

4) 信號(hào)分析。這一步主要是對(duì)第3步處理之后的特征信號(hào)進(jìn)行分析和研究，并將這些有用信息與設(shè)備所要求的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，更準(zhǔn)確地反映設(shè)備的工作狀態(tài)和故障類型。

5) 趨勢(shì)分析。對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行一系列信號(hào)采集、處理、特征提取以及分析后，能夠運(yùn)用相關(guān)智能分析手段和方法，系統(tǒng)地對(duì)生產(chǎn)設(shè)備將要發(fā)生的問(wèn)題或故障進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，并做到提前維護(hù)，降低故障率。

6) 診斷事故類型。利用已有的理論和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合第3步、第4步中得到的結(jié)果對(duì)設(shè)備的整體情況進(jìn)行判別，從而得出維護(hù)和整修策略。這一步最主要的是研究在事故判斷中如何使用信息融合方法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能診斷方法。

2.2 機(jī)械設(shè)備故障診斷方法

目前，礦山機(jī)械設(shè)備故障診斷主要利用先進(jìn)傳感器和技術(shù)手段檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，再結(jié)合分析數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備健康狀態(tài)。要求現(xiàn)代故障診斷技術(shù)能自適應(yīng)地實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，甚至還能快速處理問(wèn)題。綜合現(xiàn)有的故障診斷方法，大致可以分為以下幾種。

2.2.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷方法

振動(dòng)監(jiān)測(cè)法能夠?qū)崟r(shí)、精確地監(jiān)測(cè)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)分析、研究信號(hào)參數(shù)有無(wú)異常、是否規(guī)律來(lái)判斷設(shè)備狀態(tài)和故障，該方法理論較成熟，常將其作為故障診斷的首選方法。原理：首先采集設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，對(duì)振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性(固有頻率、振幅、傳遞函數(shù)等)進(jìn)行有效分析和研究，最后有針對(duì)性地分析零部件，得出設(shè)備在運(yùn)行中的狀態(tài)。分析振動(dòng)強(qiáng)度能讓用戶及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常；研究振動(dòng)頻譜，能清楚的預(yù)知設(shè)備何處、何時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題；通過(guò)分析零部件，能夠準(zhǔn)確定位故障，并及時(shí)維修。

可靈活地根據(jù)設(shè)備頻率來(lái)選擇振動(dòng)的量測(cè)參數(shù)和傳感器，量測(cè)參數(shù)一般有位移、速度和加速度等。王霄[7]基于多傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行特征，對(duì)轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩等動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行特征提取，對(duì)傳動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)多傳動(dòng)系統(tǒng)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷。振動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)簡(jiǎn)單實(shí)用，能實(shí)時(shí)、精確地表征機(jī)械動(dòng)態(tài)特征及其變化過(guò)程，應(yīng)用廣泛，局限性：只能對(duì)單個(gè)或少數(shù)的振動(dòng)部件進(jìn)行分析和診斷；信息采集和信號(hào)分析方法相對(duì)單一。

2.2.2 油液分析診斷方法

通過(guò)分析識(shí)別油液中多余物及磨損顆粒物的構(gòu)成及分布、油液介質(zhì)的成分，判斷設(shè)備當(dāng)前及未來(lái)的工作狀況，進(jìn)行故障診斷，達(dá)到有效預(yù)防和維修的目的。該方法主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，機(jī)械設(shè)備供油系統(tǒng)中油的質(zhì)量好壞表征了零件運(yùn)行的狀態(tài)信息，是一種間接檢測(cè)方法。

2.2.3 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行及使用過(guò)程中，由于焊接零部件的表面及內(nèi)部有裂紋、氣孔等肉眼看不到的缺陷，缺陷會(huì)隨著設(shè)備使用次數(shù)的增加而惡化，影響設(shè)備的性能和正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在這樣的背景下，無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其特點(diǎn)是在不破壞被檢測(cè)對(duì)象的前提下，利用聲、光、磁和電等特性分析檢測(cè)信號(hào)，判斷有無(wú)缺陷，使操作人員及早檢測(cè)出機(jī)械部件缺陷，保障設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。常用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括：超聲無(wú)損檢測(cè)、射線檢測(cè)、電磁檢測(cè)、滲透檢測(cè)等。無(wú)損檢測(cè)具有安全便捷、非破壞性、動(dòng)態(tài)跟蹤性等優(yōu)點(diǎn)，但局限性為：

1) 超聲檢測(cè)難以檢測(cè)小而薄的復(fù)雜零件及形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，檢測(cè)速度慢，周期長(zhǎng)，目前很難進(jìn)行三維檢測(cè)。

2) 射線檢測(cè)設(shè)備投資較大，對(duì)安裝及安全方面有嚴(yán)格的要求，不適用于現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)，周期長(zhǎng)，效率低，成本高。

3) 電磁檢測(cè)自動(dòng)化程度高，省時(shí)，但對(duì)于零件幾何形狀突變引起的邊緣效應(yīng)敏感，顯示可能不正確。

4) 滲透檢測(cè)原理簡(jiǎn)單、靈敏度高，但其工藝程序復(fù)雜，使用的試液易揮發(fā)，且無(wú)法檢測(cè)多孔材料的缺陷。

2.2.4 人工智能診斷方法

智能診斷技術(shù)方法可以總結(jié)為兩類[8-9]：一類是專家系統(tǒng)，其原理是：描述出人類專家所持有的特定性知識(shí)，并基于相應(yīng)的規(guī)則將其存到知識(shí)庫(kù)；知識(shí)處理系統(tǒng)根據(jù)輸入信息提供的規(guī)則和策略進(jìn)行邏輯推理，最后輸出診斷結(jié)果。該方法比較成熟，局限性：知識(shí)獲取的“瓶頸”和邏輯推理的“組合爆炸”。

另一類是以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的智能診斷方法，它是以權(quán)值比重和數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的，其原理為：通過(guò)系統(tǒng)權(quán)值系數(shù)矩陣來(lái)表示和存儲(chǔ)所獲取的知識(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)不斷的調(diào)整權(quán)值系數(shù)矩陣來(lái)獲取知識(shí)，系統(tǒng)按照一定的方法計(jì)算輸入數(shù)據(jù)，得到的輸出作為診斷結(jié)果。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，能推理計(jì)算出不精確的甚至是錯(cuò)誤的輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)不存在知識(shí)獲取的瓶頸問(wèn)題和推理的組合爆炸問(wèn)題。但局限性為：由于診斷對(duì)象日趨復(fù)雜，獲取準(zhǔn)確、完備、有效的診斷知識(shí)越來(lái)越困難；復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)常處于動(dòng)態(tài)變化中，故障發(fā)生具有很強(qiáng)的不確定性，為智能化推理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2.2.5 紅外測(cè)溫檢測(cè)技術(shù)

液壓系統(tǒng)油液劣化、設(shè)備零部件之間的摩擦、長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等都會(huì)引起設(shè)備溫升，產(chǎn)生大量熱量。高溫可能導(dǎo)致設(shè)備及其零部件的損壞。紅外測(cè)溫法是借助紅外測(cè)溫儀測(cè)定機(jī)械設(shè)備內(nèi)各部件的溫度，根據(jù)自身檢測(cè)溫度及設(shè)備周圍環(huán)境的溫度變化來(lái)判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。該方法能夠進(jìn)行非接觸式、遠(yuǎn)距離測(cè)溫，也能夠準(zhǔn)確地用于信息處理、分析數(shù)據(jù)和做判斷，以此為依據(jù)，操作人員可以提早對(duì)機(jī)械磨損、油液劣化問(wèn)題采取相應(yīng)措施，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，間接延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。但局限性為：

1) 易受環(huán)境因素影響(環(huán)境溫度，空氣中的灰塵等)。

2) 測(cè)量準(zhǔn)確度受設(shè)備負(fù)荷影響。

3) 物體內(nèi)部溫度較難測(cè)量，有障礙物時(shí)測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

4 機(jī)械設(shè)備故障診斷發(fā)展趨勢(shì)展望

目前機(jī)械設(shè)備故障診斷所依托的傳感器和監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、可靠性較差、監(jiān)測(cè)儀器功能單一，很難滿足在線故障診斷的需求，故迫切需要結(jié)合當(dāng)下前沿科學(xué)技術(shù)，研究出新的智能診斷方法。進(jìn)一步研究的主要內(nèi)容有:

1) 研發(fā)出先進(jìn)的多功能型傳感器和監(jiān)測(cè)儀器，選取合適的振動(dòng)、溫度、噪音等量測(cè)參數(shù)，使傳感器和監(jiān)測(cè)儀器能夠快速準(zhǔn)確識(shí)別故障。

2) 使用多元傳感器信息融合的方法?，F(xiàn)代智能型生產(chǎn)設(shè)備必須具有針對(duì)各個(gè)方面的檢測(cè)與保養(yǎng)，以便工作人員實(shí)時(shí)、全面掌握機(jī)械設(shè)備的日常運(yùn)行情況。同一時(shí)間使用多個(gè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)關(guān)鍵部位，根據(jù)信息融合技術(shù)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以達(dá)到較準(zhǔn)確的診斷。

3) 結(jié)合最新的信號(hào)處理方法，研究融合專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化算法及模糊式邏輯思維等方法的故障診斷方法和模型。在未來(lái)，機(jī)器狀態(tài)的自適應(yīng)檢測(cè)與事故判斷是事故判斷系統(tǒng)的必然要求。

5 結(jié)論

通過(guò)總結(jié)機(jī)械設(shè)備故障產(chǎn)生的原因，闡述了故障診斷技術(shù)的定義及主要研究?jī)?nèi)容，歸納了故障診斷方法的研究現(xiàn)狀，最后，展望了設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

礦山機(jī)械設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜、精密，加上高科技的發(fā)展迅速，對(duì)設(shè)備故障診斷技術(shù)要求也越來(lái)越高，需要不斷的優(yōu)化、革新檢測(cè)及診斷技術(shù)，最大程度保證設(shè)備安全、可靠、高效運(yùn)行。