趙云鶴

(西山煤電馬蘭礦綜采三隊(duì)，山西 太原 030200)

0 引 言

目前，煤礦大范圍采用機(jī)械化手段作業(yè)，使煤炭數(shù)量及開采作業(yè)效率大幅提升，也為井下作業(yè)人員提供了優(yōu)良的作業(yè)環(huán)境，進(jìn)一步降低了煤炭開采中能源以及資源的浪費(fèi)。煤礦開采應(yīng)用的現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備數(shù)量與種類很多，采煤機(jī)是關(guān)鍵的設(shè)備之一，采煤機(jī)設(shè)備能夠完成落煤作業(yè)以及裝煤作業(yè)，其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在應(yīng)用過程中，由于井下作業(yè)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜且惡劣，采煤機(jī)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的故障會(huì)降低煤炭開采效率以及質(zhì)量，甚至還可能引發(fā)人員傷亡安全事故。結(jié)合實(shí)踐分析，針對(duì)采煤機(jī)故障問題設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)，以期有效降低設(shè)備運(yùn)行故障發(fā)生率，保障煤礦作業(yè)安全高效發(fā)展。

1 采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障類型分析

1.1 齒輪部件故障分析

采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)基本是低速重載運(yùn)行，傳動(dòng)過程中承擔(dān)的負(fù)荷相對(duì)較大，極易導(dǎo)致傳動(dòng)齒輪部件出現(xiàn)故障問題。一般情況下齒輪部件故障主要有下列類別：

(1) 齒面磨損。實(shí)際作業(yè)中，采煤機(jī)采掘的是硬度相對(duì)大的煤巖體，齒輪部件實(shí)際承載了相對(duì)大載荷，導(dǎo)致齒面出現(xiàn)磨損。依照齒面磨損性質(zhì)，又劃分為磨粒磨損以及腐蝕磨損。

(2) 齒面粘合和擦傷。由于采煤機(jī)齒輪部件一直處在高速重載的運(yùn)行狀態(tài)，齒輪部件表面會(huì)承受相對(duì)大壓力，在很短時(shí)間內(nèi)齒面溫度升高，如果潤滑不及時(shí)，齒面結(jié)構(gòu)之間的油膜被嚴(yán)重破壞，使不同齒面發(fā)生粘合問題。一些沒有經(jīng)過磨合的新齒輪部件，在使用中極易產(chǎn)生擦傷。

(3) 齒面接觸疲勞。采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，相互嚙合的齒輪部件不僅會(huì)出現(xiàn)相對(duì)的滾動(dòng)，也會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)。出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)，所形成的摩擦力方向恰好相反，使齒輪部件出現(xiàn)一定的脈動(dòng)載荷作用。脈動(dòng)載荷作用會(huì)導(dǎo)致齒輪部件出現(xiàn)一定剪切應(yīng)力作用，使齒面結(jié)構(gòu)形成一定的疲勞裂紋。如果裂紋不斷擴(kuò)大，會(huì)使齒面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)點(diǎn)蝕問題。

(4) 彎曲疲勞和斷齒。采煤機(jī)運(yùn)行過程中，其整體結(jié)構(gòu)如同懸臂梁結(jié)構(gòu)，其齒根位置部位受到大的彎曲應(yīng)力作用，若作用力超過了材料自身的疲勞極限，齒輪部件便會(huì)產(chǎn)生裂紋。另外，在彎曲疲勞作用力工況下，齒輪部件根部位置齒極易被影響，加之另外一些外界因素作用，導(dǎo)致此部位應(yīng)力集中，導(dǎo)致形成的裂紋不斷擴(kuò)張，當(dāng)齒輪部件不能承載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生斷齒問題。

1.2 軸承部件故障分析

采煤機(jī)設(shè)備的滾動(dòng)軸承部件屬于關(guān)鍵部件之一，其含有內(nèi)圈結(jié)構(gòu)、外圈結(jié)構(gòu)以及滾動(dòng)體結(jié)構(gòu)等。軸承部件出現(xiàn)故障會(huì)表現(xiàn)出兩種類型，分別為磨損類及表面損傷類。磨損故障大部分是由于軸承結(jié)構(gòu)出現(xiàn)磨損，其所形成間隙值不斷增加，出現(xiàn)此問題時(shí)，軸承部件所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)時(shí)域波形不具規(guī)律性，表現(xiàn)出非常強(qiáng)的隨機(jī)效果。另外，因?yàn)椴擅簷C(jī)的作業(yè)條件復(fù)雜且惡劣，其運(yùn)行一般是低速重載運(yùn)行，使軸承部件極易出現(xiàn)表面損傷故障。此故障早期不易發(fā)現(xiàn)，此故障多是出現(xiàn)在軸承部件外圈、內(nèi)圈結(jié)構(gòu)等表面位置，表現(xiàn)出一定的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

2 采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)軟件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種信號(hào)的處理及分析，同時(shí)能針對(duì)采煤機(jī)傳動(dòng)裝置進(jìn)行故障診斷及分析。軟件系統(tǒng)研發(fā)是利用LabVIEW2011軟件為整個(gè)系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)，開發(fā)不同功能模塊并進(jìn)行組裝。利用LabVIEW2011軟件不僅能確保一些軟件功能模塊擁有一些硬件具備的功能，同時(shí)也能確保整個(gè)設(shè)計(jì)工作更便捷高效，無需再編寫復(fù)雜且繁瑣的代碼工作，使整個(gè)軟件系統(tǒng)開發(fā)周期進(jìn)一步縮短，確保普通技術(shù)人員均能完成系統(tǒng)開發(fā)工作。

為能進(jìn)一步強(qiáng)化開發(fā)軟件系統(tǒng)具備更強(qiáng)擴(kuò)展功能，便于系統(tǒng)日常維護(hù)工作，通過模塊化編程理念進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)示意圖

在系統(tǒng)主界面中，利用主菜單模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中含有參數(shù)設(shè)置、采煤機(jī)檢測(cè)項(xiàng)目、采煤機(jī)故障診斷以及具體操作等多項(xiàng)內(nèi)容，在設(shè)置功能模塊中，能夠針對(duì)所安裝的傳感裝置各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)也能夠針對(duì)生產(chǎn)報(bào)表最終儲(chǔ)存具體路徑進(jìn)行設(shè)定。在檢測(cè)項(xiàng)目功能模塊中，能針對(duì)采煤機(jī)傳動(dòng)裝置運(yùn)行中的振動(dòng)情況、溫度情況、電流情況、電壓情況以及轉(zhuǎn)速情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。故障診斷功能模塊中可針對(duì)傳動(dòng)裝置中的齒輪部件、軸承部件等相關(guān)部件故障加以診斷。報(bào)表功能模塊中可實(shí)現(xiàn)報(bào)表實(shí)時(shí)生成、瀏覽以及設(shè)置等各項(xiàng)功能。操作功能模塊則可實(shí)現(xiàn)程序停運(yùn)操作。

采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)程序具體流程圖如圖2所示。采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)程序開始運(yùn)行后，首先要完成相應(yīng)參數(shù)設(shè)定，再將要檢測(cè)的各個(gè)項(xiàng)目內(nèi)容分別選擇，系統(tǒng)檢測(cè)完成相應(yīng)檢測(cè)工作后，便能繼續(xù)針對(duì)各個(gè)檢測(cè)內(nèi)容加以檢測(cè)，同時(shí)也可對(duì)所檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行故障診斷操作，并且可以將檢測(cè)內(nèi)容生成對(duì)應(yīng)報(bào)表。

圖2 采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)程序流程圖

3 故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及傳感器布設(shè)

采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)硬件設(shè)備的選用是否合理會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)中，硬件的重要功能是對(duì)采煤機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的相關(guān)信號(hào)加以檢測(cè)，然后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理及輸送，在所設(shè)置的上位機(jī)中完成數(shù)據(jù)處理。采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)中硬件裝置主要有傳感器裝置，調(diào)理電路裝置、數(shù)據(jù)采集卡裝置和計(jì)算機(jī)裝置等等。

圖3 采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)的硬件構(gòu)成示意圖

最為關(guān)鍵的是傳感器裝置，若傳感裝置無法準(zhǔn)確檢測(cè)采煤機(jī)傳動(dòng)裝置運(yùn)行過程的各種信號(hào)信息，那么后續(xù)所有工作便無法進(jìn)行，也無法確保后續(xù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此對(duì)傳感器裝置的布設(shè)進(jìn)一步加以分析與說明。

所選用的各個(gè)傳感裝置分別設(shè)置于采煤機(jī)傳動(dòng)裝置各個(gè)部位之上，對(duì)于壓電傳感裝置，將其設(shè)置于傳感裝置中的截割部位處的減速箱部件和軸承端蓋部件之上，同時(shí)在牽引部件中的固定箱體上和軸承結(jié)構(gòu)上均設(shè)置壓電傳感裝置，確保能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到這些位置的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)。把溫度傳感裝置連接到截割部件中齒輪箱油池及牽引部件中齒輪傳動(dòng)油池中。另外，將電壓傳感裝置及電流傳感裝置設(shè)置于截割電機(jī)以及牽引電機(jī)上。采煤機(jī)的滾筒部件上，在其側(cè)面位置均勻的粘貼上反光片，把所設(shè)置的光電傳感裝置在特定的區(qū)域中和所粘貼反光片相對(duì)。具體檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖4所示。

圖4 檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置情況1.代表振動(dòng)傳感裝置 2.代表溫度傳感裝置 3.代表電壓傳感裝置 4.代表交流電流傳感裝置 5.代表直流電流傳感裝置 6.代表光電傳感裝置

4 實(shí)際應(yīng)用效果

將所設(shè)計(jì)采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用到1053綜采工作面采煤機(jī)設(shè)備之中，自2018年4月應(yīng)用以來，一共提前診斷出故障問題19起，確保了采煤機(jī)安全隱患得以及時(shí)排除，在應(yīng)用采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)之后，未因采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障而造成停機(jī)事件，確保了煤礦開采作業(yè)的連續(xù)性與高效性，具有較高的實(shí)用價(jià)值，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

應(yīng)用該采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)之前，應(yīng)當(dāng)完成相應(yīng)性能分析，確保所有性能均能符合標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用要求。在進(jìn)行性能分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先自行搭建性能分析試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖5所示。試驗(yàn)臺(tái)中包含有系統(tǒng)樣機(jī)裝置、信號(hào)發(fā)生裝置、直流穩(wěn)壓電源裝置、穩(wěn)壓電源裝置以及萬用表裝置等。

首先，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源，借助于粗調(diào)操作以及微調(diào)操作，確保電源能夠穩(wěn)定輸出，由4 mA至20 mA以及20 mA至4 mA表現(xiàn)為梯度波動(dòng)電流，將所形成電流輸入至溫度模擬通道、振動(dòng)模擬通道、電流模擬通道以及電壓模擬通道等各個(gè)通道內(nèi)。再利用信號(hào)發(fā)生裝置使之產(chǎn)生為梯度波動(dòng)的方波信號(hào)，把所形成的方波信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至定時(shí)/計(jì)數(shù)裝置的通道里，再把不同通道中所收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息全部傳輸至靜態(tài)特征分析設(shè)備里完成相關(guān)分析工作。所得分析結(jié)果見表1。

圖5 性能試驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖

表1 靜態(tài)特征分析結(jié)果

從上述數(shù)據(jù)能夠看出，此次開發(fā)的采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)的各檢測(cè)通道能夠達(dá)到要求。

5 結(jié) 語

采煤機(jī)設(shè)備屬于采煤作業(yè)中非常重要的機(jī)械設(shè)備，傳動(dòng)裝置是確保采煤機(jī)能安全運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該結(jié)合實(shí)踐，針對(duì)采煤機(jī)傳動(dòng)裝置的故障問題，創(chuàng)新研發(fā)更為精準(zhǔn)的采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障診斷系統(tǒng)，為更加及時(shí)高效判斷采煤機(jī)傳動(dòng)裝置故障及采煤作業(yè)的安全性提供可靠保障。