宋國棟

（應(yīng)急管理部信息研究院，北京100029）

當(dāng)前，煤炭行業(yè)廣泛應(yīng)用自動(dòng)化、信息化技術(shù)和智能裝備，很多大中型煤炭企業(yè)在先進(jìn)的綜合自動(dòng)化、數(shù)字化與信息化技術(shù)和裝備走在了行業(yè)前列[1-2]。同時(shí)，煤礦重大設(shè)備通常需要長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，在煤礦井下惡劣的環(huán)境下，設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)難以保障，因此容易對設(shè)備帶來損壞，降低使用壽命，間接增加設(shè)備綜合成本。

礦井機(jī)電設(shè)備都有其要求的環(huán)境條件，例如溫度、濕度。例如，安放重大設(shè)備的井下機(jī)電硐室環(huán)境溫度不應(yīng)超過30 ℃，否則應(yīng)停止設(shè)備運(yùn)行[3-6]。但是在現(xiàn)實(shí)情況下，部分礦井由于其生產(chǎn)條件比較惡劣，礦井改造方面難度較大，這些礦井的一些機(jī)電硐室環(huán)境很難滿足設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境要求，導(dǎo)致這些機(jī)電設(shè)備長期處于高溫潮濕環(huán)境中，無形之中就對設(shè)備造成了損傷，影響設(shè)備的服務(wù)期限。

本文以煤礦井下排水泵為例，增加對水泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析水泵常見故障及原因，辨識(shí)潛在的設(shè)備故障，為設(shè)備維修和運(yùn)維提供輔助技術(shù)支撐，最大程度地減少設(shè)備事故，提高運(yùn)行可靠性和工作效能，實(shí)現(xiàn)水泵故障的超前感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期內(nèi)的安全可靠運(yùn)行、提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 故障診斷方法

（1）人為簡易診斷

通過人的感官功能或者借助簡單的儀器和簡單的工具，作經(jīng)驗(yàn)性和粗略性的定性診斷[7]。由于主要依靠人的感官和經(jīng)驗(yàn)，該方法有較大的局限性，但人的感官檢測技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、直接、快速的特點(diǎn)，因此，人為簡單診斷在設(shè)備故障診斷中起著重要的作用。

（2）振動(dòng)診斷

機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)總是伴隨著振動(dòng)，當(dāng)機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，必然會(huì)破壞或者打破原機(jī)械運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，振動(dòng)必然增強(qiáng)且性質(zhì)會(huì)改變，振動(dòng)信號(hào)頻譜能夠較好地表征機(jī)械設(shè)備運(yùn)行特性[8-10]。振動(dòng)信號(hào)的分析對于診斷機(jī)械設(shè)備故障具有重要意義，尤其是能夠在不將設(shè)備解體的前提下，對設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行檢測分析，起到提前指導(dǎo)維修的作用。

（3）溫度診斷

對于旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備，除機(jī)械振動(dòng)之外，溫度是機(jī)電設(shè)備故障的另一個(gè)主要特征，零部件異常磨損、電氣觸電燒壞等故障都會(huì)導(dǎo)致溫度升高。目前，排水泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等主要設(shè)備都將溫度作為重要監(jiān)測參數(shù)，常見的溫度測量方法包括熱電偶、熱電阻、紅外傳感器、比色測溫儀等。

（4）油樣診斷

在各種機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量的磨損顆粒，主要是由于金屬表面間的相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。磨損顆粒會(huì)進(jìn)入潤滑油中，其數(shù)量、尺寸、外貌、成分等能夠反映不同的磨損方式和磨損過程，可以作為診斷設(shè)備健康狀態(tài)的辨識(shí)特征。

（5）無損探傷診斷

無損檢測診斷方法是一種以不損害或不影響其設(shè)備使用性能為前提的檢測手段，包括電磁診斷、超聲診斷、射線診斷、滲透診斷、渦流診斷等多種方式，其中超聲檢測和渦流檢測使用較為廣泛。

綜合上述常見診斷方式的特點(diǎn)，本文以振動(dòng)、溫度診斷為主，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷和歷史故障數(shù)據(jù)，對煤礦水泵故障進(jìn)行診斷分析和健康管理。

2 常見故障類型分析

煤礦主排水系統(tǒng)一般采用臥式吸入式排水方式。設(shè)備設(shè)施主要包括電動(dòng)機(jī)、排水泵、排水管路閘閥和逆止閥、抽真空管路球閥或者閘閥、吸水管路及水倉等，核心設(shè)備為電動(dòng)機(jī)和排水泵。

主排水系統(tǒng)按照設(shè)備類型可以分為9 類，包括：電動(dòng)機(jī)、排水泵、閘閥、逆止閥、球閥、水倉、吸水管、排水管和其他設(shè)備設(shè)施。這里以排水泵為例，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和排水泵常見故障類型、故障原因和分析手段如表1所示。

表1 排水泵常見故障分析Tab.1 Common fault analysis of drainage pump

3 振動(dòng)診斷措施與點(diǎn)位設(shè)計(jì)

振動(dòng)探頭選用ICP 內(nèi)置電荷放大傳感器監(jiān)測振動(dòng)，傳感器通過外置（預(yù)埋）進(jìn)入水泵內(nèi)，通過通信線纜進(jìn)入采集網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)打包上傳給上位機(jī)。

一般來說，滾動(dòng)軸承固有剛性大、阻尼低的特點(diǎn)，排水泵軸承的振動(dòng)通常會(huì)反映到軸承箱上，對于采用振動(dòng)診斷方法選取排水泵測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇在振動(dòng)能量向彈性基礎(chǔ)或容易傳遞振動(dòng)的其他部件上，振動(dòng)測點(diǎn)一般選擇在軸承座、底座和出口法蘭處。本文中排水泵的測點(diǎn)選在兩端軸承座處，前軸水平3H，垂直3V，后軸水平4H，垂直4V 和后軸徑向4A。因此每臺(tái)水泵需布置測點(diǎn)5 個(gè)。配置測點(diǎn)如圖1所示。

圖1 振動(dòng)傳感器點(diǎn)位設(shè)計(jì)Fig.1 Design of vibration sensor point

4 水泵健康評估

一般而言，難以從設(shè)備表面直接觀察到機(jī)械的損傷程度，如裂紋長度、磨損面積等。為了實(shí)時(shí)估計(jì)水泵的健康狀況，不同的狀態(tài)監(jiān)測信號(hào)一般是從運(yùn)行的設(shè)備中采集振動(dòng)信號(hào)。這些監(jiān)測信號(hào)不但包含健康狀況信息還包含測量噪聲。所以為了進(jìn)一步揭示機(jī)械的退化過程，需要從監(jiān)測信號(hào)中提取有效值、峰度和偏度等信息。

隨著機(jī)械故障嚴(yán)重程度的發(fā)展，設(shè)備的損耗呈現(xiàn)出不同的退化趨勢，在RUL 預(yù)測之前，應(yīng)根據(jù)HI的變化趨勢，將機(jī)械退化過程劃分為不同的健康階段（HS）。常見的退化過程如圖2所示。

圖2 健康階段HS 劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of health stage HS division

滾動(dòng)軸承的退化趨勢表現(xiàn)為2 個(gè)不同的階段，即健康階段和不健康階段。在健康狀態(tài)下，滾動(dòng)軸承無故障，RMS 值隨機(jī)波動(dòng)。在不健康階段，RMS 值隨著軸承的損壞而增大。

雙列軸承退化過程呈現(xiàn)為3 個(gè)階段，包括健康階段、退化階段和臨界階段。從各階段的趨勢曲線，同時(shí)結(jié)合故障分析經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠辨識(shí)出水泵軸承當(dāng)前的故障嚴(yán)重程度。

5 試驗(yàn)分析與驗(yàn)證

山東某煤礦針對老舊水泵開展了振動(dòng)診斷試驗(yàn)，水泵振動(dòng)偵測曲線如圖3所示。

圖3 水泵振動(dòng)頻譜Fig.3 Pump vibration spectrum

現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)顯示：

（1）泵端振動(dòng)測點(diǎn)（3H/3V/3A、4H/4V/4A）：振值速度值趨勢出現(xiàn)增長。

（2）3H 測點(diǎn)振動(dòng)超過報(bào)警線（7.1 mm/s）

（3）產(chǎn)生300～2000 Hz 的隨機(jī)噪聲底線。

數(shù)據(jù)表明，水泵葉輪氣蝕特征明顯，結(jié)合現(xiàn)場泵體內(nèi)發(fā)出沙石流動(dòng)的聲音，因此判定水泵出現(xiàn)氣蝕故障，與水泵現(xiàn)場影像圖片結(jié)果一致，現(xiàn)場圖片如圖4所示。

圖4 水泵氣蝕故障現(xiàn)場圖Fig.4 Site map of pump cavitation fault

6 結(jié)語

通過水泵故障的提前預(yù)警，結(jié)合全生命周期管理的手段，能夠?qū)崿F(xiàn)排水泵設(shè)備的信息管理、設(shè)備參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測、設(shè)備健康狀態(tài)在線診斷、故障原因定位分析、設(shè)備關(guān)鍵部件剩余壽命預(yù)警，并結(jié)合故障庫、知識(shí)庫和備品備件庫提供設(shè)備數(shù)字化運(yùn)維指導(dǎo)，以達(dá)到減少欠修和過修的現(xiàn)象，積極實(shí)踐設(shè)備預(yù)防性維修或狀態(tài)檢修，保障設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效、長期健康運(yùn)行的目的。