煤矿机电设备管理中机械故障检测诊断技术的应用

齐茂彬

摘要：故障检测诊断技术是故障诊断、故障检测的集成，可以提高煤矿机械故障处理效率，改善煤矿机电设备管理效果。因此，本文主要分析煤矿机电设备管理中机械故障检测诊断原理，论述煤矿机电设备管理中常用的机械故障检测诊断技术，并探究机械故障检测诊断技术在煤矿机电设备管理中的应用，希望为煤矿机电机械故障检测诊断实践提供一些参考。

关键词：煤矿；机电设备；机械故障；检测；诊断

DOI：10.12433/zgkjtz.20240715

近年来，现代科技开始应用到煤矿开采领域。在煤矿开采过程中，机电设备的平稳有序运行是开采作业顺利开展的保障，煤矿机电设备管理工作至关重要。将机械故障检测诊断技术应用到煤矿机电设备管理中，可以优化煤矿机电设备管理机制，实现故障问题的及时发现、定位，为煤矿开采作业顺利开展提供可靠的机械化环境。因此，探究机械故障检测诊断技术在煤矿机电设备管理中的应用具有重要的现实意义。

一、煤矿机电设备管理中机械故障检测诊断原理

机械故障检测诊断主要以煤矿机电设备运行过程中产生的各种化学物理变化为对象，及时发现、准确定位设备问题的技术。机电设备运行过程中产生的各种化学物理变化包括振动、气味、功耗、磨损、升温、变形、噪声等。

二、煤矿机电设备管理中常见机械故障检测诊断技术

（一）磁通检测

磁通检测主要在信号强度达标情况下，对高压电器故障进行检测。因电流高次諧波对专业操作水平要求较高且方法高度复杂，需要专业人员根据规范操作。专业磁通检测技术由电压积分器、锁相放大器、示波器、SQUID组成，根据可实测物理量的不同组合可获得开环、闭环转子磁链观测模型。其中，以电压、电流为观测对象的开环观测器主要根据定子电流与定子电压检测值估算，兼具结构简单、操作便捷的特点，但检测精度易受参数变化、外来干扰影响，特别是在低速度运转时测量误差随着定子电阻压降而覆盖反电动势，导致纯积分环节误差积累、漂移严重，检测数据不稳定；而基于误差反馈的转子磁链闭环观器，引入状态误差反馈有效提升检测精度。

（二）局部放电检测

局部放电检测适用于高压电器故障检测，不适于低压机电设备故障检测。局部放电本质上是外加电压在电气设备内产生场强促使绝缘部分区域发生放电，其未在放电区域形成固定放电通道，与介质内部电场强度过高、介质表面电场强度过高直接相关，设备运行过电压、谐波畸变、雷电波冲击、绝缘材料内部破损、导体表面凸出、绝缘强度不足均会导致局部放电。基于此，可以利用超声波检测法或UHF（特高频）检测法、光测法、脉冲电流，进行机电局部放电检测。UHF检测主要是依据局部放电辐射电磁波信号在GIS内以接近光速传播的特点，结合不同传感器接收同一放电源信号时间差进行局部放电源位置的计算。

（三）在线故障诊断与检测

在线故障诊断与检测主要借助专门传感器、计算机等部件检测煤矿机电设备的主要构件，进而比照机电实际运行状态与预测运行状态完成机电故障诊断。在机电设备正常管理过程中，在线故障诊断与检测技术应用可划分为运行信号检测、信号特征提取、运行状态评估、故障结果输出几个过程。其中，运行信号检测是借助声光电压等传感器检测煤矿机电设备运行信号，并将模拟信号转换为数字信号；提取信号特征主要是保存信号中有价值的内容，特别是与机电故障存在联系的信号；运行状态评估主要是建立煤矿机电运行故障评估模型，辨识煤矿机电是否存在故障并划分故障类别。

三、煤矿机电设备管理中机械故障检测诊断技术的应用

（一）煤矿通风机

通风机是煤矿开采过程中专门用于通风的设备。针对煤矿通风机运行特点，可利用通风机集中在线故障诊断检测仪，对通风机多功能接口、定时器、高速输入/输出接口、高效指令系统、中断源、四通道A/D转换器、中央处理器等进行检测。例如，选择DFC－KTF－3A通风机集中测试仪搭配耐低温电缆（－25～80℃）、防潮信号转接盒，依据《煤矿在主通风机系统安全检测检验规范》（AQ1011）的相关要求，利用风杯法或静压静压差法、全压静压差法进行检测，设定检测仪器参数如表1所示。

（二）矿用高压异步电动机

1.绝缘局部放电检测

矿用高压异步电动机的绝缘介质长时间承受热、机械应力、电等因素的干扰，易发生绝缘劣化，进而出现绝缘局部放电问题。因此，测量局部放电可评定矿用高压异步电动机的绝缘状况。根据矿用高压异步电动机定子绕组中放电脉冲传播特性，在线监测电动机局部放电信号。以矿用315kW/10kV三相异步电动机为例，定子槽数为90槽，槽内上下两层均放置线棒，绕组每相60根线棒。在矿用315kW/10kV三相异步电动机局部放电监测时，利用数字存储带宽示波器观察、记录放电脉冲和响应脉冲，判定电动机定子绕组主绝缘完好性以及铜导线线棒、主绝缘之间是否存在气隙放电。

具体检测时，利用信号发生器向矿用315kW/10kV三相异步电动机定子A相绕组端部注入模拟激励脉冲（频率40～100MHz），以10MHz为一个档位。同时，将示波器的CH1端接入电动机A相进线端，将示波器CH2端接入电动机B相进线端，同步记录激励脉冲、响应脉冲波形，并检测信号经A、B两相绕组后传输衰减情况。例如，模拟激励脉冲频率为40MHz时，利用ZSJF－9900局部放电综合试验仪检测电动机局部放电，TEV测量参数如表2所示，经示波器CH1端测得模拟激励脉冲峰值为2.08V，示波器CH2端测得模拟激励脉冲峰值衰减至0.798V，仅为激励脉冲的38.37%，衰减程度达61.63%，表明经A、B两相绕组后响应脉冲在幅值上严重衰减，电动机绝缘层破损。

2.电流磁通检测

电流磁通检测是有效规避高低压差异的检测技术，在煤矿高压异步电动机故障检测中具有较广阔的应用空间。具体操作期间，依据间接检测思维，将电动机运行时产生信号经传感器转换为电压信号，集中到数据采集卡等效电路内，完成电动机运行电流、电压等物理量实测，在观测模型内进行电动机气隙磁链幅值、相位的实时计算，最终推算电流磁通结果。矿用高压异步电动机的电磁计算模型如下：

（1）

其中，Te为矿用高压异步电动机的磁通；np为高压异步电动机极对数；Fs为定子磁势矢量模值；Om为气隙主磁通模值；Qr为定子磁势空间适量与气隙合成磁势空间矢量之间的夹角。

（三）采煤机

采煤机故障检测可选择云服务自动故障检测诊断系统，在线监测采煤机故障并在终端显示设备故障类型。

以螺旋滚筒采煤机为例，采煤机内具有多个滚筒，在采煤过程中高速内向或外向旋转，极易出现故障问题，如果维护不及时，将影响整个煤矿开采作业。一般螺旋滚筒采煤机故障检测诊断可经内部温度传感器或压力传感器、流量传感器反馈数据，经专业数据库得出结果。在这个基础上，为实现采煤机故障预知检修，可以汇总采煤机常见故障现象及原因，将采煤机故障传感器与云服务技术有机整合，经专家系统实现智能化诊断，减少采煤机故障检测成本。云端诊断库是采煤机故障诊断检测的核心支撑，诊断层次模型结构如图1所示。

由图1所示，云服务螺旋滚筒采煤机诊断检测系统模块是基于云端服务的若干诊断子系统集成，系统核心为诊断知识库、诊断方法层，其中诊断知识库在专家系统已有经典诊断案例基础上提取有价值诊断定理、模型、实例经验以及最新机械故障诊断数据；诊断方法层则是以一定格式描述煤矿生产规则，利用IF Condition THEN Result表示诊断逻辑。螺旋滚筒采煤机状态判断标准如下：

（2）

其中，EA表示螺旋滚筒采煤机处于良好状态；As为螺旋滚筒采煤机实际幅值；Am为螺旋滚筒采煤机允许振动幅值；EB表示螺旋滚筒采煤机处于预警状态；EC表示螺旋滚筒采煤机处于轻微故障状态；ED表示螺旋滚筒采煤机处于严重故障状态。根据公式（1），可以设定煤矿生产中螺旋滚筒采煤机状态判定逻辑规则为：

Rule：IF{As＜0.8Am}，THE“EA”；

Rule：IF{0.8Am≤As＜1.15Am}，THE“EB”；

Rule：IF{1.25Am≤As＜1.75Am}，THE“EC”；

Rule：IF{1.75Am≤As＜2.3Am}，THE“ED”。

根据上述规则，可以进行螺旋滚筒采煤机转子故障、润滑故障、轴承故障特性的逐一描述，例如，利用转子时域状态、振动方向（轴向/径向）、轴心轨迹以及介质温度、流量、压力、油温、转速、负荷等要素进行转子振动故障的模糊描述，进而将模糊描述至输入专家系统，在线诊断故障类型。

（四）矿用提升机

矿井提升机是煤矿安全生产的保障。在煤矿开采过程中，矿用提升机易出现部分参数超出正常水平等软故障。基于此，针对矿井提升机软故障进行检测。检测时，在矿井提升机天轮轴或导向轮轴上，沿轴向布置无线应力传感器，经无线应力传感器采集轴上应力应变信号，并借助无线信号接收装置向工控机传递信号。工控机内运行故障检测模块可识别应力应变信号的波谷、波峰，输出实时提升速度与容器深度、时间关系，进而根据应力应变信号与提升荷载关系进行换算，获得煤矿提升机实时提升荷载，最终根据煤矿提升机设计给定提升速度、深度指示与额定荷载判定设备是否存在松绳、过卷、卡罐、打滑、过载等现象。

以煤矿提升机内部断绳故障检测诊断为例，设备断绳故障可视为机械、电气叠加故障，涉及因素较多，直观检测难度较大。因此，可以借助压力流量与温度一体化便携检测仪，采集提升绳压力信号，并将信号存储到计算机，为功能性故障诊断提供依据。如果无法适用便携检测仪，检测人员需要在现场开展提升机短绳试验。

具体操作时，将制动绳卡绳器（缓冲器）数据输送到专家系統端，经专家系统判定制动绳卡绳器是否牢固可靠性，并经后台记录数据。随后在煤矿井口搭设罐笼缓冲平台，设置临时吊装副绳，经临时吊装副绳将罐笼提升到井口以上1.5m位置，在井口封口盘主梁位置紧密设置6根H型钢，H型钢与井口连接位置水平放置枕木，并利用8#铁丝牢固捆扎枕木、H型钢，枕木上分层设置缓冲带（旧汽车外胎），经铁丝牢固捆扎缓冲带、枕木。缓冲带设置完毕后，选择井塔顶部主梁上一点作为固定罐笼辅助副绳，在缓冲带上方放置空罐笼，缓慢输送辅助副绳观察抓捕器动作是否以及抓紧程度。如果抓捕器未动作或动作程度显著不足，立即检查罐笼顶部弹簧及其传动件，调整罐笼顶部弹簧传动件灵活性。确定各部件动作可靠后，在罐笼座上放置罐笼，借助木桩加固罐笼四角，将罐笼提升至距离缓冲器600mm位置，借助辅助副绳悬吊罐笼并记录制动绳位置。随后放松主提升绳4m±1m，割断副绳、罐笼之间连接钢环，促使罐笼自由向下坠落至平稳状态，测量罐笼在制动绳上滑行距离并记录，根据记录结果，判定提升机制动绳是否存在断绳故障。

此外，对于大型提升机突发性故障，可利用智能故障诊断技术，将专业知识与科学理论相结合，详细分析煤矿提升机内部断绳故障诊断误差估计结果，有针对性的提高故障诊断效率。

四、结语

综上所述，机械故障检测诊断技术是煤矿机电设备管理中的重要技术，以物理学、摩擦学、动力学技术为支撑，准确定位煤矿机电设备故障。因此，根据煤矿开采用高压异步电动机、通风机、采煤机、矿井提升机运行情况，可以恰当利用磁通检测、局部放电检测、在线故障诊断与检测等技术，提高煤矿机电设备故障检测效率，及时采取煤矿机电设备故障控制措施，为煤矿开采作业安全推进提供保障。

参考文献：

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作者简介：齐茂彬（1990），男，山东省枣庄市人，2012年毕业于山东科技大学，电气工程及其自动化专业，本科，工程师，主要研究方向为机电设备管理。