浅析煤矿地质勘探机械振动故障检测与维修

王 磊

（福建省闽东南地质大队，福建 泉州 362000）

0 引言

煤矿地质勘探作业危险性比较大，及时发现并维修勘探机械设备的故障，对于保障煤矿安全生产、提高煤矿的生产效益具有重要作用[1]。目前煤矿地质勘探的机械设备主要通过分析设备振动的信号确认故障再加以维修[2]。但是在分析振动信号时误差大、精确度不高，导致机械设备故障维修不足或者维修过度[3]。采用机械振动技术检测故障，通过改进对振动信号的分析方法可以有效提高机械故障的检测精度[4]。RCM理论是从经济与安全的角度出发，建立机械设备管理维修一体化，节约煤矿安全生产的保障成本[5]。通过机械振动技术提高检测机械设备故障的精确率并采用RCM 理论完善机械设备故障维修体系，以期建立一体化的机械设备管理维修，保证安全的前提下，降低维修成本。

1 判断机械设备故障征兆点

机械设备的故障维修主要是在设备运行阶段，对会发生故障的部位进行小修，以消除影响勘探机械设备的潜在故障，提高机械设备的使用寿命[6]。根据机械设备的故障曲线图1，辅助判断机械设备的征兆点。

图1 勘探设备故障率曲线图

根据图1 可知，机械设备在早期运行阶段受磨合调试因素的影响，故障率会增高；设备稳定运行过程以及正常生产期时，不容易发生故障，故障率比较稳定。后期机械设备的组件存在老化情况，故障率上升。判断故障征兆点主要是在设备的稳定生产期，机械在稳定运行中一些组件出现微小磨损等故障，就是故障征兆点阶段的开始。在故障发生征兆点开始维修，可以增加设备使用寿命，合理利用维修资源。根据威布尔分布定理，机械设备在使用中状态随着时间变化如图2 所示。

图2 设备状态变化图

A 点指设备故障发生的开始点。B 指设定的故障征兆点，C 指实际的故障征兆点，F 指功能故障发生点。指设定的故障征兆点与实际的故障征兆点的实践间隔。在A 设备故障发生点到C 产生故障点的时间内判断故障征兆点B 进行检测维修，维修之后Te的值越小T 值越大说明判定的故障征兆点越接近机械故障的临界点。

2 机械振动故障检测

2.1 振动信号采集

确认机械设备故障征兆点后，对机械设备进行故障检测[7]。振动信号诊断故障的第一步是对运行中的勘探机械进行信号采集。煤矿地质勘探过程中，环境比较嘈杂，对振动信号的干扰较大，为提高采样精度，需要对原始振动信号进行低通滤波，过程如图3 所示。

图3 勘探机械振动信号低通滤波流程图

通过低通滤波的方式过滤掉原始振动信号中的高频滤波，限制振动信号带宽，解决使用A/D 转换方法采集数据信息时，存在因采样频率过低导致的频率混迭问题，提高采样精度。采用的技术是A/D 转化法将不断产生的机械振动信号变为容易传输、储存、分析的数字信号，基于A/D 转化方法的信号采集分为三步：采样、量化、编码。具体流程图如图4 所示。

图4 勘探机械振动信号信号采集流程图

具体信号采集流程是：淤采样，为保证一次转化传输数据的准确精度，在进行A/D 信号转化时，需要保持转换器输入端的电压不变，输出的是精度较高的连续信号。于量化，对一次转化生成的连续信号进行幅值量化。即将转化的连续信号的数值成整数倍的量化。A/D 转化位的数值越大，量化误差越小。盂编码，采样将连续信号变为离散序列。代表采样频繁程度，数值越小，采样越频繁，需要的计算量以及内存也越大。如果值太大，容易丢失振动信号，引起混频，降低分析精度。因此先对原始信号进行低通滤波，再通过A/D 转化方式采集的数据信号具有较高的精确度，以此来实现振动信号的采集过程。

2.2 时域及频谱分析

完成振动信号的采集之后，使用数据挖掘中的离散化方式将数据信号预处理，而后从时域和频谱两个纬度对数据信号进行分析。

进行时域分析时，主要通过对数据信号的波形的振幅大小以及变化快慢特性进行分析。根据煤矿地质勘探机械设备的反馈值提取振动数据信号的峭度值、均方根值等参数。振动数据信号的峭度值茁的计算式为：

式中，N 代表一个波形周期中数据采样个数，对应个数的振动幅度值用xt表示，峭度对大幅值敏感。在机械发生故障的早期，振动信号收到冲击脉冲时，峭度值可以准确的反映机械早期的故障。但是机械故障后期，峭度随故障的发展会下降，稳定性降低。这时需要另一个参数均方根值。均方根Xrms的计算式：

式中，T 代表波形的周期值。均方根值具有良好的稳定性，适用于故障检测的全程检测。通过煤矿地质勘探机械设备在运行中的振动信号检测，确认机械中的原件在运行中存在异常，选定该征兆点的设备运行参数与正常时刻的时域指标范围对比，初步评估机械设备的基础运行情况。继而对振动信号的频谱做进一步分析。

进行频谱分析时，将振动数据信号的振动周期与频率作为主要指标，研究幅值随着频率的变化情况。定义机械设备发生振动产生能量变化的总和为幅值，幅值X（棕）的主要计算式：

式中，棕代表角频率，通过检测各频率对应的振幅总和的变化情况，检测出机械设备原件的故障情况。不同工况下，机械的频谱幅值是不同的，若频谱中幅值波峰同步，相关人员则可发现机械设备原件中存在叶片磨损、不平衡、不对中等故障；若幅值波峰次同步，则代表机械设备运转中出现皮带松动、油膜涡动等故障；幅值波峰不同步，则可判断出机械设备运行中产生气穴、噪音等现象。

2.3 故障特征提取

对采集到的煤矿地质勘探机械师设备的振动信号进行时域及频谱的分析之后，根据对应振动信号与产生的故障做特征提取，总结探勘机械设备主要存在几种故障，对应的故障特征见表1。

表1 煤矿勘探机械常见故障特征

由表1 可知，淤振动不平衡故障在信号频谱中的表现，振动频率在1 倍转速时的更加突出振动尖峰，且振动幅值总是大于总振动幅值的85%。于机械不对中故障，振动信号的出现高倍频率特征，振动出现较强的稳定性，矢量没有改变。盂转子径向摩擦中，振动信号出现高频振动特征，且振动频率不稳定，矢量出现变化。榆油膜涡动故障中，振动频率是正常机械振动频率的一半，随着机械设备的继续运行，信号振动频率稳定在一倍频率以上，径向振动振幅较大。矢量发生改变。虞滚动轴承损伤，振动信号频率较高，振动极不稳定，振动频率随着轴承的损伤发生改变，矢量发生改变而且变化量比较大。

分析勘探设备机械振动信号的频谱，将每条频谱分量的幅值大小，变化情况以及存在关系与机械故障特征对照联系，可以确定勘探机械设备的状态，从而完善设备维修周期，建立科学的维修体系。

3 RCM 管理体系维修

3.1 计算故障维修周期

上述利用机械信号振动技术检测了勘探机械设备的不同组件发生故障的特征，接下来需要根据不同的组件对应的故障进行维修分析，制定适当的维休计划。在RCM 理论中，确定设备维修计划的关键是计算维修周期。维修周期的大小决定了故障率以及维修成本。因此，在计算故障维修周期时，引入总维修成本概念，即维修成本与故障损失之和。只要使总维护成本达到最小，就可判断此时为机械设备的最佳维护周期。故障维修周期T 的计算式：

式中Tf，C（T）指的是总故障维修成本，指的是组件故障功能后，需要维修的平均时间；TP指的是组件功能故障前，预测维修需要平均时间。R（T）指根据威布尔分布计算的机械设备组件可靠性的分布函数，Cf指组件功能故障后，需要维修的平均成本，CP指组件功能故障前，预测维修需要平均成本。总成本最小时，则为最佳故障维修周期。煤矿地质勘探设备的机械维修，重点在于预防性维修中，确定最佳维修周期，能够有效降低煤矿勘探机械设备的故障风险，最大限度提高设备的耐久性与安全性。

3.2 管理维修一体化

把煤矿勘探设备的故障维修检测、维修时间、维修成本、维修周期以及维修反馈等集中维修要素结合在一起，采用RCM 思想，将故障造成的成本与维修成本控制在最小，从而建立科学的机械设备的管理维修一体化。建立一体化管理的主要步骤是对运行设备的维修情况进行及时的记录并分析，为进一步管理做数据准备。为保障一体化管理的可靠性，根据RCM 思想建立煤矿地质勘探设备维修管理一体化流程，RCM最重要的步骤是判定不同级别的故障模式，以及故障造成的影响。在组件的故障分析中，主要对组件的故障形成原因以及对勘探设备造成影响的因素进行统计分析，最终确定故障率高组件，优化管理维修系统。为提高维修效率，在预防性维护间隔内，对组件故障进行组合维修。RCM 维修管理一体化的可靠性主要通过机械设备故障后的影响程度来确定故障维修的优先度，从而选择合适的维修方案。设计评估体系以机械设备的实际出动率，维修方案的落实情况、维修材料以及零件的供应情况、以及故障周期的合理程度四个纬度为评估标准，通过合理性评估保证机械设备维修管理的科学性。

4 结语

煤矿地质勘探机械设备的安全运行，对煤矿安全高效的生产具有重要意义。通过确认机械故障征兆点，运用机械振动技术检测故障，以及测算故障维修周期进而建立勘探设备管理维修一体化。通过机械振动信号分析故障可以极大提高故障检测的准确精度，建立具有RMD 思想的维修管理一体化，提高机械维修管理的可靠性。本研究提出的机械振动检测技术以及建立的RMD 维修管理一体化机制能够提高煤矿勘探机械设备的维修效率，能够为促进煤矿勘探事业的发展提供一定参考。