矿井通风机在线监测及故障预警系统的分析与设计

张 波

（山西汾西矿业集团曙光煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

矿井通风机通常由轴管道和风扇系统组合而成，其主要作业是为工人提供充足的氧气，稀释和排出地下矿井中的危险气体。此外，地下矿井中的许多机器都使用化石燃料，矿井通风机还具有去除机器设备的烟雾的功能[1]。作为采矿作业的“肺”，矿井通风机发挥着至关重要的作用，确保地下工作能够顺利进行，确保工人的安全。据统计，70%以上的煤矿事故是由于通风设备故障导致通风不良、通风管理不善等导致[2]。当前的传统的维修方法是在设备出现故障需要维修时才维修，或者在一定的时间间隔内定期对设备井下检修，这样不利于及时了解设备的工作状态，容易造成过量或不足的维护。因此，有必要建立矿井通风机的实时在线监测和故障预警系统。

1 矿井通风机常见的机械故障及特点

建立煤矿通风机故障诊断系统是为了抓住有效的振动信号分析的本质，提取异常信息和故障排除。矿井呼吸机振动信号作为一种大型旋转机械，部件非常复杂，导致异常振动，非常混乱。根据理论和实践经验，分析了其振动、机械侧的原因。由振动引起的故障平面（转子失衡、转子轴错位、转子弓形弯曲、流体激荡）占风机故障[3]的90%以上。

1）转子轴错位。转子轴错位故障占所有故障风扇故障的70%以上，该故障主要产生在耦合部分，通常是由于安装误差、机械支撑后的变形、定心的变化和沉降基础的不均匀所致。

2）转子失衡。该故障是旋转机械常见的故障，由偏心质量和转子部件缺陷两个方面引起。常见故障原因为：转子叶片叶轮连接质量不均匀；机械安装叶轮叶片时产生误差，如校正后焊缝重量不一致，不准确，消除应力、变形也可能存在；压力变形或缺陷条件下进行叶轮运行。

3）转子弓形弯曲。转子的弓形弯曲是由于转子结构不合理，制造误差大，材质不均匀，转子长期存放不当或热态停机时未及时盘车，热稳定性差，长期运行后转轴自然弯曲加大等原因造成的永久性弯曲。在这种情况下，轴向可以产生更大的频率振动。油膜的旋转和振荡振动。该现象属于自激发振荡和振动现象，由于不同的纹理，导致油沿轴高速运动，液体之间的整体连接较差，从而对轴的高速旋转产生不利影响[4]。

4）流体激荡。由风扇在不稳定区域引起的，它可以反击转子。这种现象被称为激增。振动频率主要基于超低频率，常伴有频率。由于进气和出口流量的变化，数据有很大的周期性变化。气流噪声周期性地发生强烈的变化[5-6]。

2 用于信号采集的硬件平台

通过对常见故障的分析，开发了矿井通风机在线监测及故障预警系统，系统包括硬件平台和软件系统。矿井通风机的工作状态可通过安装在设备上的各种与计算机相连的传感器反映出来，通过对振动信号、时域和频域的分析，结合各种机械故障的频率特性，可以实现故障的识别和定位。

2.1 硬件平台的总体结构

运行风扇的信息采集平台结构如下页图1 所示。风机故障诊断过程中，由于故障不是唯一的表达形式，且具有模糊性，导致风机状态的实际描述不清楚。在信息采集过程中，应保留独立特征可以提供互补信息。本研究设计的机构中，采用速度传感器采集振动信号，采用霍尔传感器采集相位信号，实现来了信息互补。

图1 风扇信号采集的硬件平台

2.2 传感器的选择计算和安装设计

风机的主轴转速为1000 r/min，因此振动频率显示为：fr=1000/60=16.7 Hz。根据振动信号采集的原理，选择速度传感器进行测量（A、C、E 点位垂直安装，B、D、F 点位水平安装）。相位信号测量点采用霍尔传感器（G）。安装点如图2 所示。

图2 传感器安装点

3 基于LabVIEW 的软件平台

3.1 软件平台的总体结构

该平台主要包括三个模块，如图3 所示。

图3 矿井通风机的软件平台

基本模块的功能是根据指定的采样频率和采样间隔采集外部信号，进行通道分离预处理、数据转换、相位对齐等，然后根据指定的数据结构存储实时数据。此外还有历史数据的查询和删除功能。采样数据在在线监测模块中进行真实分析，风扇的实时状态以强度值表示。根据强度阈值实现一次或二次报警，同时对本模块数据进行管理。在离线分析模块中，根据历史数据，可以预测运行风扇的发展趋势，基于专家知识库的专家系统可以给出评价和维修建议。在远程分发模块中，可以通过企业内部网发布数据，包括实时数据和离线分析结果，使用户可以远程查看。

3.2 软件平台的功能

该系统基于LabVIEW 软件开发环境，在揉捏板的程序结构设计中主要包含“前面板”、用户界面设计和“流程图”。该系统需要连续采集6 个通道，每个通道有512 个双精度浮点数据。在正常运行状态下，为每5 min 存储一组数据，因此需要存储1 d 的数据量为：6×512×（60/5）×24=884736 bit。

如上所述，该系统采用了文件存储和数据库组合的方式。采样数据以文件和压缩的形式存储，其他数据存储在Access 数据库中。

图4 所示的系统功能模块和数据流结构示意图表明，该系统最终实现了两个主要功能：在线监控和离线分析。在线监控的核心是真实的数据缓冲区，来自预处理模块的数据可以进入缓冲区，然后另一个区域可以按固定的时间间隔删除数据。基于专家知识库，通过离线分析模块中的用户交互，可以预测早期故障报警。

图4 系统功能模块和数据流

4 应用效果分析

通过现场增加振动检验设备在某个工艺参量是否能够发出报警。应用效果表明，电动机自由侧垂直方向的振动值增加，系统通过提供电动机负荷侧垂直方向的振动值的变化趋势以及电动机相位变化趋势综合判断设备的振动增加情况，进而综合判断设备的综合状态，并结合设备的工艺参数判断出设备属于异常状态，成功进行报警。

5 结语

通过在“开发矿井通风机在线监测和诊断系统”的背景下进行了研究，系统根据需求分析和功能要求，利用虚拟仪器技术，综合采用时域和频域分析、振动监测等方式对风机及其电机进行状态监测和故障预警。同时，系统利用数据库技术和网络技术，实现了实时运行状态监控功能、故障预警、远程分发，使整个设备的维护管理能够实现信息化和自动化。