基于声发射原理的矿井掘进机故障诊断技术研究

2021-07-28常彦鹏

机械管理开发 2021年6期

常彦鹏

（山西汾西矿业集团矿山设备管理中心，山西介休 032000）

引言

掘进机是实现矿井机械化及自动化掘进的关键设备，但是由于掘进机工作条件恶劣，煤岩硬度高、空气湿度大、操作及维护不当等因素均可能造成掘进机故障频发，因此如何对掘进机各类故障进行快速识别及处置至关重要。但由于掘进机系统繁多、结构复杂，其故障信息离散性较大，因而故障诊断难度也较大，而声发射技术作为一种常见的故障识别手段，与掘进机的故障诊断有诸多契合点[1-4]。

1 掘进机故障类型分析

掘进机主要构成部分包括截割系统、装载系统、运输系统、行走系统、液压系统、水冷系统、电气系统等，结构复杂，精密性高。其故障类型主要可分为机械故障及液压故障两类。

1.1 掘进机常见机械故障

1）掘进机截割部故障。截割部故障大多是由于截割量过大、带负荷启动或遇大块硬夹矸等因素引起，常表现为截齿损坏、脱落、安全螺栓断裂、截割头转动失效等故障现象。

2）掘进机行走部故障。行走部是整个掘进机的连接和支撑结构，负责行走执行功能，其故障主要有履带板断裂、履带松脱打滑、制动器故障、减速器故障等，从而导致掘进机行走功能受损。

3）掘进机主轴承故障。主轴承的故障主要是各类密封原件发生损坏或者失效，导致漏油漏水现象，损害掘进机的动力传输、润滑以及供水降尘等功能，难点是故障点隐秘，识别及处理难度较大。

4）运输系统故障。主要是刮板机断链故障，刮板机卡链故障，刮板机链条断裂故障，链条过松或过紧故障，均会造成掘进运输环节卡阻，甚至连带引发其他故障。

1.2 掘进机常见液压故障

1）液压系统供压不足。表现在不出油、输油量不足、压力上不去、压力不稳定等，故障原因包括油路堵塞、滤油器堵塞、各类阀组失效、管接头松脱、发生内泄漏等。

2）工作机构速度较低。表现在设备推力不足、爬行无力、工作速度逐渐下降甚至停止，故障原因包括密封失效、油路发生泄漏、供压油腔与回压油腔发生短接、油量不足、吸油量不足等。

3）噪声、振动异常。表现在供压管路的异常振动、噪声增大，故障原因包括管路内进气、管路堵塞、腔体内存在局部真空、气蚀因素、泵体损坏、转速过大、联轴器松动等。

2 掘进机声发射信号检测系统设计

大多数材料或结构在外力影响时会产生摩擦或者裂纹，进而出现弹性波应变，通过声发射这种无损检测技术，可对弹性波应变信号进行接收和放大处理，声发射信号能够反映掘进机的故障信息，可对掘进机故障进行识别和诊断。

根据声发射技术原理[5-6]，可设计出掘进机故障诊断的声发射检测系统，如图1所示。系统的基础元件为声发射传感器，选用AE98型谐振式传感器。但是由于传感器接收到的信号十分微弱，还需要通过前置放大器及主放大器对信号进行放大，放大后的信号还需要进行噪声过滤，再经过检波器对信号进行降频处理，得到适于系统使用的低频信号，通过A/D转换器得到计算机能够处理的信号，上传至计算机的信号时间间隔为10 μs，计算机配备数据库进行数据存储与分析。环境检测模块也至关重要，能够过滤掉掘进机周围环境的杂乱信号，与声发射传感器捕捉的故障信号进行区分，从而提高信号捕捉的准确度。

图1 掘进机故障诊断声发射检测系统示意图

3 掘进机故障诊断实例研究

利用声发射检测系统对掘进机行走部进行检测，对故障信号进行识别放大，可得出故障信号的声发射曲线，包括时间和频率的关系，如图2所示。图中的声发射曲线有三个波峰，与实际故障现象对应，第一个波峰代表行走部履带板出现裂纹，第二个波峰说明随着受力和时间延长，裂纹进一步发展，第三个波峰说明裂纹发展到一定程度，出现履带板断裂，掘进机行走部失效，无法行走。

图2 时间和频率关系声发射曲线

诸如此类，可以对掘进机其他故障进行识别诊断，获得各种故障的声发射数据样本，形成故障信息数据库。基于故障信息数据库，利用MATLAB软件对故障情况进行仿真研究，结合小波神经网络的迭代收敛性质，对150组故障数据样本的精确度进行验证。得出故障数据样本的精确度如表1所示。根据验证结果可知，声发射故障信息的正确率方面，截割部故障、主轴承故障、运输系统故障、工作机构速度较低故障正确率均达到100%，噪声及振动异常故障正确率为95%，行走部故障正确率为90%，供压不足故障正确率稍低，为85%，主要是由于液压系统出现内泄故障，容易被外界环境干扰，影响了准确度。