朱益軍，王翔

(北京天地龍躍科技有限公司, 北京 100043)

0 引言

刮板輸送機減速器的健康、可靠運行是實現(xiàn)礦井工作面無人化、礦井智慧化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1]。單純依靠傳統(tǒng)的耳聽、手摸等故障診斷方式，已經(jīng)不能為刮板輸送機減速器提供快速、準確的診斷，進而不可避免地造成計劃外停機甚至重大設(shè)備事故。提高刮板輸送機減速器的故障診斷準確率，實現(xiàn)故障隱患早發(fā)現(xiàn)、早隔離、科學維護，對工作面無人化、礦井智慧化的推進具有十分重要的意義[2-5]。目前，眾多刮板輸送機減速器制造商在其高端產(chǎn)品中引入了以振動分析為基礎(chǔ)的減速器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)[6]，并在現(xiàn)場應(yīng)用中積累了一些典型的故障案例。

模糊專家系統(tǒng)將不確定性的專家經(jīng)驗和對設(shè)備異常的描述(如溫度高等)，以模糊知識的方式存儲到知識庫中，并采用模糊匹配規(guī)則的模糊推理，實現(xiàn)快速、確定的故障診斷，在冶金、風電等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。文獻[7]梳理了大量的高速線材軋機減速器故障案例和故障數(shù)據(jù)，形成了減速器的模糊關(guān)系矩陣，并應(yīng)用到高速線材軋機減速器的故障診斷中，取得了很好的效果。文獻[8]和文獻[9]研究了減速器的故障頻譜特征，各自構(gòu)建了減速器模糊關(guān)系矩陣，并應(yīng)用于減速器故障診斷中，取得了一定的效果。文獻[10]將模糊專家系統(tǒng)引入通風機故障診斷中，利用歷史數(shù)據(jù)和案例構(gòu)建了通風機故障診斷模糊關(guān)系矩陣，并成功地診斷出通風機故障。

針對刮板輸送機減速器診斷效率低、日常維護缺乏科學依據(jù)的問題，以及當前刮板輸送機減速器積累了許多有效的專家經(jīng)驗和典型故障案例的特點，提出了基于知識的刮板輸送機減速器故障診斷專家系統(tǒng)。由于專家主觀認識的差異，導致專家經(jīng)驗對刮板輸送機減速器故障的描述具有一定的模糊性。因此，本文采用基于模糊的故障診斷專家系統(tǒng)。在推理過程中，利用基于貼近度的模糊評判，發(fā)現(xiàn)刮板輸送機減速器的故障隱患，同時減少維修人員對專業(yè)故障診斷技術(shù)人員的依賴性。

1 模糊故障診斷專家系統(tǒng)

模糊故障診斷專家系統(tǒng)是知識工程師收集、整理領(lǐng)域?qū)＜业南嚓P(guān)知識，并將其轉(zhuǎn)換為專家系統(tǒng)的內(nèi)部表示，存儲在知識庫中。根據(jù)用戶提供的初始數(shù)據(jù)，調(diào)用相應(yīng)知識庫中的知識進行問題求解，并將結(jié)果反饋給用戶。模糊故障診斷專家系統(tǒng)包括：故障征兆的獲取、知識庫的建立、推理機和綜合數(shù)據(jù)庫等,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模糊專家診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1) 故障征兆的獲取。故障征兆的獲取是指獲得表征刮板輸送機減速器運行狀態(tài)的振動信號，然后提取出表征減速器運行狀態(tài)的特征。

2) 知識庫的建立。知識庫是專家系統(tǒng)進行故障診斷的基礎(chǔ)，存儲了診斷規(guī)則、專家領(lǐng)域知識、典型故障案例等，知識庫具有知識存儲、檢索、修改等功能。

3) 推理機。按照給定的推理策略，針對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)構(gòu)成的故障征兆向量信息，在知識庫中識別、選取相關(guān)的規(guī)則進行推理、判斷,得出相應(yīng)的診斷結(jié)論。

4) 綜合數(shù)據(jù)庫。綜合數(shù)據(jù)庫存儲了故障診斷結(jié)果的語義解釋、故障維護指導策略,以及與故障診斷相關(guān)的信息。

2 知識庫的建立

刮板輸送機減速器模糊故障診斷專家系統(tǒng)知識庫中的知識是以振動頻譜為基礎(chǔ)。通過對典型故障的分析，總結(jié)了不同故障下的振動信號特征，并采用模糊關(guān)系矩陣的形式加以描述，將復(fù)雜的故障診斷知識存儲在知識庫中。

模糊關(guān)系矩陣R一般可以表示為：

(1)

模糊關(guān)系矩陣的行表示故障類型，每一行代表一種刮板輸送機減速器故障。m行表示刮板輸送機減速器的m種故障類型。模糊關(guān)系矩陣的列表示故障征兆，每一列代表刮板輸送機減速器的一種征兆。n列表示刮板減速器具有n種故障征兆。rmn表示第n種故障征兆出現(xiàn)時，刮板輸送機減速器發(fā)生第m種故障的可能性，一般0≤rmn≤1。

查閱有關(guān)文獻，并結(jié)合刮板輸送機減速器的具體特點，對軸承滾動體故障、軸承外圈故障、軸承內(nèi)圈故障、軸承潤滑不良、聯(lián)軸器故障、不對中故障、齒輪磨損、齒輪偏心、齒輪不平衡9種常見故障的振動特征及專家診斷經(jīng)驗進行了總結(jié)。選取軸承滾動體故障特征頻率Fc及倍頻2Fc、軸承外圈故障特征頻率Fbo及倍頻2Fbo、軸承內(nèi)圈故障特征頻率Fbi及其倍頻2Fbi、轉(zhuǎn)頻Fr及其2倍頻2Fr和3倍頻3Fr、轉(zhuǎn)頻的0.5倍頻0.5Fr、齒輪嚙合頻率Fz及其2倍頻2Fz和3倍頻3Fz13個特征頻率作為刮板輸送機減速器診斷的特征向量，構(gòu)建了刮板輸送機減速器模糊關(guān)系特征矩陣，如表1所示。將表1轉(zhuǎn)化成模糊關(guān)系矩陣R，結(jié)果見式(2)。

3 推理機

模糊推理是利用模糊集合理論中的隸屬函數(shù)與模糊關(guān)系矩陣R來描述故障與征兆之間的模糊關(guān)系，進而實現(xiàn)對故障的診斷。從現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)中確定故障征兆向量X，求解模糊方程Y=X·R，然后通過匹配算法得出故障診斷結(jié)論。

表1 刮板輸送機減速器模糊關(guān)系特征表

(2)

3.1 故障征兆向量

故障征兆向量的提取，是建立在對振動信號頻譜分析之上的。在故障征兆向量特征提取中，考慮到特征頻率幅值對分析結(jié)果的影響，本文采用相對幅值作為故障征兆特征。在頻譜圖中，設(shè)max(x′)為頻率幅值的最大值，x′為故障征兆特征的頻率幅值。相對幅值x按如下公式計算：

(3)

則故障征兆特征向量X可以表示為：

X=[x1,x2,…,x13]

(4)

3.2 匹配算法

在實際刮板輸送機減速器的故障診斷中，故障征兆向量往往不能夠完全與知識庫中規(guī)則的前提條件相吻合，這就需要對其吻合程度進行度量。貼近度是描述兩個模糊集相似程度的度量，本文用來描述故障征兆向量與知識庫規(guī)則的匹配程度。

假設(shè)A、B是U=[x1,x2…xn]中的兩個模糊集合，則A與B的貼近度σ(A,B)可以表示為[11-14]：

(5)

顯然有，0≤σ(A,B)≤1。貼近度σ(A,B)越接近于1，說明模糊集A、B的貼近程度越高。當σ(A,B)=1時，說明模糊集A、B完全相同。本文需要分別計算故障征兆向量與刮板輸送機減速器9種故障的匹配程度，選取貼近度最大者作為故障診斷的依據(jù)，具體流程如圖2所示。

圖2 模糊推理流程

4 應(yīng)用實例

某礦井下刮板減速器安裝了減速器智能監(jiān)測系統(tǒng)，對刮板減速器的健康狀態(tài)進行了監(jiān)測。振動加速度測點布置如圖3所示。

該刮板輸送機輸入轉(zhuǎn)速為1 450 r/min。從刮板輸送機減速器智能監(jiān)測系統(tǒng)的振動趨勢圖中發(fā)現(xiàn)，測點“輸入軸振動”的振動幅值呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢，但是其振動幅值未達到報警門限值。為確認該測點處是否存在故障隱患，對該測點的數(shù)據(jù)進行了深入的分析。

圖3 井下刮板輸送機振動加速度測點布置

第一步，提取測點“輸入軸振動”的振動加速度信號，按照式(3)計算特征頻率，結(jié)果如表2所示。

第二步，根據(jù)表2得到輸入向量：

X=[0.023 1 0.082 3 0.015 8 0.196 6

0.051 3 0.056 1 0.009 0 0.589 0

0.008 7 0.008 8 0.243 6 0.070 1 0]

(6)

第三步，將輸入向量X與模糊關(guān)系矩陣R進行規(guī)則匹配，計算輸入向量與刮板輸送機減速器各個典型故障的貼近度，結(jié)果如下：

表2 刮板輸送機測點“輸入軸振動”樣本數(shù)據(jù)特征

Y=X·R=[0.758 2 0.774 6 0.758 5

0.698 2 0.729 0 0.752 0 0.744 1

0.788 5 0.828 3]

(7)

第四步，根據(jù)最大貼近度原則，顯然該減速器存在齒輪不平衡故障特征，即該減速器存在齒輪故障。

在1個月后的大修中，該減速器升井，進行解體檢修。在解體檢修中發(fā)現(xiàn)，減速器輸入軸齒輪出現(xiàn)輕微打齒、點蝕等損傷(見圖4)，從而導致齒輪不平衡，與診斷結(jié)果相符。

圖4 減速器解體后齒輪打齒、點蝕

5 結(jié)論

本文以刮板輸送機減速器為研究對象，通過對其典型故障的分析，并查閱了相關(guān)文獻，采用模糊關(guān)系矩陣將復(fù)雜的基于振動頻譜分析的故障診斷知識存在知識庫中，利用基于貼近度的模糊推理技術(shù)，實現(xiàn)了對減速器的健康狀態(tài)的診斷，為設(shè)備維護和檢修提供了參考。