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        基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)監(jiān)測礦井主排水設(shè)備故障研究

        2019-05-07 11:04:44馬麗強(qiáng)
        山東煤炭科技 2019年4期
        關(guān)鍵詞:礦井軸承聯(lián)網(wǎng)

        馬麗強(qiáng)

        (山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司,山西 陽城 048105)

        礦井主排水設(shè)備的好壞直接關(guān)系到礦井排水效果,也是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。排水設(shè)備井下工作環(huán)境惡劣,排送流體成分復(fù)雜多樣,含有腐蝕性化學(xué)成分因子,造成礦井主排水設(shè)備出現(xiàn)故障,影響礦井正常排水。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段,對(duì)礦井主排水泵機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,機(jī)械設(shè)備有潛在的故障,會(huì)發(fā)出預(yù)警,為礦井主排水設(shè)備故障診斷、維修提供技術(shù)支撐。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)診斷礦井主排水設(shè)備,利于維護(hù),減小成本。

        1 礦井主排水系統(tǒng)

        離心泵、電機(jī)、相應(yīng)水管和閥門等構(gòu)件組成了礦井主排水系統(tǒng)。雖然各大礦井涌水量不同,但是礦井主排水系統(tǒng)大體相同。

        竹林山煤業(yè)中央泵房水倉總?cè)萘繛?600m3,由主副兩個(gè)水倉組成,主副水倉容水量分別為1000m3、600m3,平均涌水量為80m3/h,最大涌水量為130m3/h。選用的離心泵、防爆電機(jī)和高壓電機(jī)詳細(xì)參數(shù)見表1和表2。

        表1 水泵型號(hào)及參數(shù)

        表2 電機(jī)型號(hào)及參數(shù)

        整個(gè)主排水系統(tǒng)由3臺(tái)機(jī)組構(gòu)成,這3臺(tái)機(jī)組的反沖洗和抽真空管路不僅可以獨(dú)立工作,還可以相互導(dǎo)通,在使用和備用工作上可以相互轉(zhuǎn)換,整個(gè)主排水系統(tǒng)管路布局和閥門情況見圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)管路布置

        2 主排水設(shè)備常見故障及特征

        2.1 常見故障

        (1)軸承故障。軸承一直處于動(dòng)靜結(jié)合工作狀態(tài),在工作中容易出現(xiàn)磨損、疲勞和裂紋等故障。軸承磨損主要分為三種:內(nèi)圈磨損、外圈磨損和滾子磨損。若出現(xiàn)磨損但不加以維護(hù),隨著工作的進(jìn)行,不僅裂紋擴(kuò)大,還有振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生,會(huì)波及到水泵運(yùn)行[1]。軸承不同部位的故障,會(huì)有不同的特征頻率[2]。

        外圈故障頻率:

        式中:

        f0-外圈故障頻率,Hz;

        Z-滾珠數(shù)量,個(gè);

        d0-滾珠直徑,mm;

        a-摩擦力作用在滾珠和軸承外圈的夾角,°;

        D0-軸承直徑,mm;

        fr-旋轉(zhuǎn)頻率,Hz。

        內(nèi)圈故障頻率:

        式中:

        fi-內(nèi)圈故障頻率,Hz。

        滾珠故障頻率:

        式中:

        fb-滾珠故障頻率,Hz。

        在診斷軸承故障時(shí),可以根據(jù)上述特征頻率確定軸承故障,進(jìn)而維修或維護(hù)軸承。

        (2)轉(zhuǎn)子不平衡。轉(zhuǎn)子不平衡故障主要是轉(zhuǎn)子偏心和轉(zhuǎn)子磨損。轉(zhuǎn)子不平衡特征[3]:其振動(dòng)信號(hào)函數(shù)為三角函數(shù);共振臨界轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子不平衡重要特征。

        (3)轉(zhuǎn)子不對(duì)中。若主軸軸承有故障,轉(zhuǎn)動(dòng)頻率有增大現(xiàn)象,甚至?xí)卸啾哆咁l存在[4]。

        (4)基礎(chǔ)松動(dòng)。泵底座螺絲松動(dòng)、地基鋼筋松動(dòng)這些都屬于基礎(chǔ)松動(dòng)。基礎(chǔ)松動(dòng)故障主要是轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值不同。

        (5)配合不當(dāng)。軸承與葉輪主軸出現(xiàn)過盈配合,就會(huì)發(fā)生工作力不足、脫落或者主軸葉輪打滑。相對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率出現(xiàn)異常,根據(jù)頻譜特性確定故障程度。

        (6)水泵氣蝕。水泵氣蝕瞬間周圍液體會(huì)沖蝕葉輪,造成葉輪磨損。有故障時(shí)葉片振動(dòng)會(huì)明顯加劇。

        (7)管道漏水。因工作環(huán)境惡劣或操作不正確,排水管道會(huì)出現(xiàn)漏水。產(chǎn)生排水管道漏水原因主要有:年限過長,管體老化、銹蝕、破裂;操作不正確產(chǎn)生水錘,管道發(fā)生破裂。

        2.2 故障特征

        根據(jù)前文所知,礦井主排水設(shè)備發(fā)生故障,故障就會(huì)表現(xiàn)一些特殊的特征信號(hào)、頻率、相位、振動(dòng)、振幅等[5]。常見礦井主排水設(shè)備故障及相應(yīng)特征信號(hào)、相位、頻率、壓力等參數(shù)詳見表3所示。

        表3 常見故障及特征

        3 基于物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)功能

        物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要是全面感知主排水設(shè)備運(yùn)行情況,根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的工況數(shù)據(jù)進(jìn)行健康評(píng)估,物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測功能主要有:

        (1)全面感知

        感知層就是在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測基礎(chǔ)上,實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、歷史工況和目前工況。結(jié)合規(guī)程、設(shè)備使用原則、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)記錄、所采集全面信息,進(jìn)行定性和定量分析設(shè)備運(yùn)行特征,綜合、全面掌握“物”的特征情況,就稱為“物聯(lián)網(wǎng)”。

        (2)可靠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

        根據(jù)不同信號(hào)特征,設(shè)計(jì)相應(yīng)技術(shù)傳感器采集信息。當(dāng)無法使用傳感器采集特征量,就需要硬件收集,相應(yīng)構(gòu)建采集、傳輸與處理一體化可靠的硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

        (3)壽命管理

        為減少水害,需要對(duì)主排水設(shè)備的壽命開發(fā)系統(tǒng)管理。采用時(shí)間序列管理方法,處理和挖掘采集到的大量數(shù)據(jù),分析、綜合比較收集到的數(shù)據(jù),通過算法預(yù)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)趨勢和走向,在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)構(gòu)下的應(yīng)用層作用,確定設(shè)備的壽命、故障。

        (4)管理軟件

        壽命管理系統(tǒng)采用LabVIEW軟件平臺(tái),選用具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的SQL Server操作管理,通過MATLAB軟件做相應(yīng)數(shù)據(jù)處理、分析。

        (5)數(shù)據(jù)庫接口

        物聯(lián)網(wǎng)壽命管理系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)下位機(jī)相互聯(lián)系,在外部成為整個(gè)煤礦的監(jiān)測子系統(tǒng),必須擁有開放的數(shù)據(jù)接口,實(shí)時(shí)與其他數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)交換。

        3.2 自動(dòng)監(jiān)測總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)鑲嵌于自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng),對(duì)礦井主排水設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)性質(zhì)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層系統(tǒng),基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下自動(dòng)監(jiān)測總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖2所示。

        4 物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測三層系統(tǒng)研究

        4.1 感知層研究

        在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最為基礎(chǔ)的層系統(tǒng)當(dāng)屬感知層。PLC控制基礎(chǔ)上增加采集高頻信號(hào),以太網(wǎng)與上位機(jī)相互聯(lián)系,形成數(shù)據(jù)采集功能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感知層,其作用就是根據(jù)采集到的主排水設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),分析礦井主排水泵是否出現(xiàn)故障。感知層功能的實(shí)現(xiàn)必須有各種傳感器的輔助,感知層各種傳感器及相應(yīng)信號(hào)特征見表4。

        4.2 網(wǎng)絡(luò)層研究

        將感知層采集到的信號(hào)傳輸便是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層。以太環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ),增加共享數(shù)據(jù),通過OPC運(yùn)作,各個(gè)傳感器、子系統(tǒng)采集到的特征信號(hào)匯聚于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層,網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)匯總到應(yīng)用層。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠融合信息,確保數(shù)據(jù)可靠傳輸,防止數(shù)據(jù)丟失。

        圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下自動(dòng)監(jiān)測總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

        表4 各種傳感器信號(hào)特征

        4.3 應(yīng)用層研究

        應(yīng)用層能夠?qū)⒉杉降男盘?hào)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,類似于人的大腦。為自動(dòng)監(jiān)測礦井主排水設(shè)備工作狀況,開發(fā)、編寫了礦井主排水設(shè)備健康管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示水泵電流、振動(dòng)信號(hào)、壓力、流量、液位、溫度等。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下上位機(jī)可以測算出礦井主排水泵特性曲線。

        5 結(jié) 論

        以礦井中央水泵房為研究對(duì)象,簡單介紹了礦井主排水系統(tǒng)。根據(jù)礦井主排水設(shè)備常見故障特征,設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng),物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩大特點(diǎn):

        (1)全面性、系統(tǒng)性、自動(dòng)性。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠根據(jù)主排水設(shè)備故障特征全面采集信號(hào),還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,通過軟件自動(dòng)預(yù)測分析主排水設(shè)備故障。

        (2)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測分工明確。物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)共由三層系統(tǒng)組成,感知層負(fù)責(zé)采集主排水設(shè)備故障信號(hào),網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層,而具有分析功能的應(yīng)用層進(jìn)行處理和反饋信息。

        基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測礦井主排水設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),不僅節(jié)省了時(shí)間,降低了成本,還能為設(shè)備的維修提供精準(zhǔn)信號(hào),有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,這對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重大的意義。

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