矿井提升机远程故障诊断方法研究

吴晶晶

摘 要： 矿井提升机在煤矿生产中担任着重要的角色，是煤矿安全监控的关键设备之一。建立完善的多矿井提升机集中状态监测和故障诊断系统，对保证煤矿安全生产具有重要的意义。本文以提升机机械传动系统和制动系统为主要研究对象，设计了矿区内多个提升机的综合远程监测与故障诊断系统。利用企业内部局域网和互联网建立远程监测系统，解决了传统提升机监测方式存在的人力资源消耗大、远程专家无法及时协助诊断等问题，提高了矿井安全生产水平和管理效率。

关键词：矿井提升机    远程监测    故障诊断

中图分类号：TD534 文献标识码：A        文章编号：1003-9082（2016）01-0004-01

在科学技术迅猛发展的今天，煤矿企业为了使利益最大化而不断的扩大生产规模，这对煤矿机械设备的可靠性和稳定性提出了更高的要求[1]。矿井提升机作为煤矿生产的重要运输设备，是煤炭、矸石、物料、人员等进出矿井的载体，具有“煤矿咽喉”之称，其安全高效的运行是矿工生命安全和煤矿安全生产的重要保证[1]。受现有监测技术水平、设备管理理念及现场操作等诸多因素的限制和影响，提升事故仍然是煤矿安全事故中发生次数较多的事故类型之一[2]。因此，提升机设备安全运行越来越受到重视，对其进行状态监测与故障诊断是十分必要的。

一、提升机故障机理分析

矿井提升机系统主要由机械传动系统、制动系统、润滑系统、拖动控制和自动保护系统、观测和操作系统、外加辅助部分等组成[3]。本文主要以机械传动系统和制动系统为主要研究对象。

提升机机械传动系统属于复杂的旋转机械系统，主要由电动机、减速器、滚筒、天轮等组成。通过分析旋转机械各零部件的故障比例可知，转子及其组件的故障比率最大，齿轮和轴承分别占60%和20%。转子作为设备的核心部件，其工作状态很大程度上决定了矿井提升机的运转状态，因此直接监测转子获得振动信号对于故障监测更加直接有效[4]。

制动系统主要包括制动器和传动机构，通过作用于制动盘上的制动力矩对制动力进行调控，实现提升机的正常停车、工作制动和紧急制动。目前，大多数矿井提升机采用液压盘式制动器作为机械制动装置，其控制系统主要由电控装置、液压站和盘式制动器组成。

每台提升机根据其需求制动力的大小配置相应数量的盘式制动器，一般成对使用。盘式制动器通过闸瓦沿轴向从两侧压向制动盘而产生阻碍制动盘转动的摩擦力矩，从而产生制动力，正常情况下制动器具有开闸和制动两种状态。

二、信号采集系统设计

通过分析提升机制动系统和机械系统的故障机理和故障特征，确定监测信号的现场采集方案，信号采集系统如图1所示。针对提升机设备的制动系统和机械传动系统不同的监测参数选择相应的传感器，传感器采集信号经过信号调理后转换为标准电压信号传输给数据采集卡，然后进入上位机进行数据的进一步信号处理。考虑到现场监测站要接入整个提升机远程监测系统中，必须具备网络接口且应用程序具备数据网络传输的功能，将需要传输的数据以一定的格式发布到网络当中。

图1 信号采集系统结构框图

三、状态诊断方法研究

Hilbert-Huang变换方法是首先利用EMD方法把原始信号分解为多个相互独立的本征模态函数分量的和，再将Hilbert变换应用于各个IMF分量得到瞬时频率和振幅，进而求取信号的Hilbert谱和Hilbert边际谱，得到振幅-频率-时间的分布，反映出系统的状态特性。

为了使HHT方法更适用于工程实际中的信号分析，必须采取措施对HHT时频分析方法进行改进，以保证信号的分解质量和时频分析结果的准确性。HHT存在的主要问题有模态混叠、端点效应、虚假IMF分量等。对于模态混叠问题，本文采取对策的为进行原始信号的小波域阈值消噪，将噪音等异常事件剔除，降低模态混叠的可能性。

实际工程中采集的信号不能保证为整周期信号，信号端点也不能保证为极值点，本文采用包络极值延拓法对信号进行延拓，方法如下：

假设对连续信号x（t）进行采样，以时间间隔为，得到的离散信号X（t）具有M个极大值和N个极小值。

向左分别延拓两个极大值和极小值点，其位置（Tm，Tn）和函数值（U，V）表示为：

对延拓后的极大值序列和极小值序列，仍然利用三次样条曲线拟合，信号的上、下包络线表示为：

图2 IMF2右端分解效果对比图

为了进一步研究信号延拓方法对端点效应的改善效果，将两种信号延拓方法得到的分量端点曲线和Hilbert谱进行对比。以IMF2分量右端为例，如图2，可以看出基于包络极值延拓的EMD方法比基于镜像闭合延拓的EMD方法分解结果更接近理论曲线，即对端点效应的抑制作用更为明显，更能反映出原始信号的特征。

结束语

文章通过对矿井提升机的整体结构和工作原理入手，分析了矿井提升机系统中的两大故障机理。根据故障的位置和类型，建立了信号采集和传输系统，通过对所采信号的处理实现远程状态诊断。为了使诊断结果更加准确，提出了改进的HHT方法，并分析了所提方法的有效性。

参考文献

[1]栗帅. 矿井提升机远程状态监测与智能故障诊断研究[J]. 企业技术开发， 2015（03）：109-110.

[2]石瑞敏， 杨兆建. 网络化矿井提升设备管理系统设计与应用[J]. 煤炭科学技术， 2015（03）：77-81.

[3]付贵祥， 周红军， 何莉. 矿井提升机群远程智能测控系统研究[J]. 工矿自动化， 2014（07）：103-105.

[4]郑洪强， 乔铁柱， 满壮.基于GPRS和神经网络的矿井提升机远程监测预警技术研究[J]. 煤矿机械， 2014（01）：197-199.