＊王國棟

（山西焦煤集團公司官地煤礦通風科 山西 030000）

引言

礦井的通風系統(tǒng)保障著煤礦的安全生產(chǎn)，但是因為礦井內(nèi)環(huán)境復雜，并且煤礦企業(yè)為節(jié)約成本使通風機的使用期限長，這些原因?qū)е碌V井通風機極易發(fā)故障。為了保障煤礦的安全生產(chǎn)、提升通風機的安全性，對礦井主通風機的狀態(tài)進行檢測與故障預警具有重要的意義。加強對礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警技術(shù)的研究，順應智慧礦山發(fā)展的大背景趨勢，有助于保障礦井安全生產(chǎn)和提高企業(yè)效益，具有重要的實際意義與工程價值。

1.礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)的意義

我國煤礦對于通風機檢測主要使用的基于振動信號的狀態(tài)檢測技術(shù)，該技術(shù)的原理是對通風機的震動進行監(jiān)測，根據(jù)震動幅度分析通風機的狀態(tài)[1]。但是礦井通風機的運行狀態(tài)復雜，對通風的振動進行監(jiān)控具有局限性，只能檢測到簡單的故障，現(xiàn)代技術(shù)對信號分析的技術(shù)越來越成熟，所以采用新的方式對通風機振動幅值進行監(jiān)測分析能夠提升礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)的安全性與可靠性。采用小波包聯(lián)合階次分析的方法對提取到的信息進行處理，提升了故障診斷效率，對煤礦的安全生產(chǎn)有重要價值。

2.礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)硬件選擇

礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖1所示，主通風機與主機都采用煤礦原設(shè)備，需要重新選擇傳感器與數(shù)據(jù)采集卡滿足系統(tǒng)的需求。

圖1 礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

(1)振動傳感器選型

礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)使用基于震動信號的狀態(tài)檢測技術(shù)，所以傳感器使用振動傳感器，振動傳感器的分類及特點如表1。

表1 振動傳感器類型及特點

在對比之后選擇電測試振動傳感器，電測試振動傳感器分為檢測加速度和檢測位移兩種，為了保證能對震動信號精確測量，所以礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)使用加速度振動傳感器，加速度振動傳感器又可以分為輸出信號為電流與輸出信號為電壓兩種型號；輸出信號為電壓流的加速度振動傳感器在長距離傳輸時信號精度差不穩(wěn)定，而輸出信號為電流的加速度振動傳感器抗干擾能力強，適合遠距離或者復雜電磁環(huán)境下使用，在礦井內(nèi)對主通風機的振動進行檢測使用輸出信號為電流的加速度振動傳感器。

(2)數(shù)據(jù)采集卡選型

傳感器采集到的信息通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到工業(yè)計算機中進行處理，未來滿足礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)的需求，需要如表2性能要求的數(shù)據(jù)采集卡。

表2 數(shù)據(jù)采集卡性能要求

3.信號特征提取的方式

主通風機在運行過程中，傳感器提取到的信號因為自身波動的復雜與環(huán)境的干擾導致難以提取出信號中蘊含的故障特征信息，所以為了解決故障信號特征提取難的問題，以及區(qū)分主通風機在非平穩(wěn)工作狀態(tài)中變轉(zhuǎn)速狀態(tài)或轉(zhuǎn)速波動狀態(tài)中不同的故障特征，對于特征的提取將會采用小波包聯(lián)合階次分析的方法，不僅能夠準確提取有效故障特征中的原始信息數(shù)據(jù)，還能避免因為信息不準確導致誤診故障的問題。采用小波包聯(lián)合階次分析的特征提取流程如圖2所示。

圖2 采用小波包聯(lián)合階次分析的特征提取

礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)提取通風機在非平穩(wěn)工況特征步驟為：

（1）工業(yè)計算機將采集到的通風機信息進行處理，確定通風機是變轉(zhuǎn)速狀態(tài)或者變轉(zhuǎn)速波動狀態(tài)；

（2）如判定通風機處于轉(zhuǎn)速波動狀態(tài)，將使用小波包特征提取的方法對采集到的信息進行處理；

（3）如判定通風機處于變轉(zhuǎn)速狀態(tài)，采用階次分析特征提取方法對信息進行處理。

小波包聯(lián)合階次分析的方法中分別使用了小波包分析方法和階次分析算法，二者的原理分別為：

①小波包分析方法

礦井主通風機在運行過程中因為軸承的磨損等因素會導致轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，通風機風量也不穩(wěn)定，傳感器采集到的信號不平穩(wěn)且存在調(diào)制現(xiàn)象，所以利用小波包特征提取的方式能夠更好的處理非平穩(wěn)信號時頻域分析，提升信號的分辨能力[2]。通過高通和低通濾波器對小波包進行分解，將上一級頻帶分解得到下一級子頻帶信號，分解過程推導公式為：

式中：i為分解級數(shù)；

h(k)低通濾波器；

g(k)高通濾波器。

②階次分析方法

礦井主通風機在使用過程中會停機、啟動或者在通風量不同時，通風機的電機會變化運轉(zhuǎn)速度，此時通風機振動的信號處于不平穩(wěn)的狀態(tài)，采集到的信號因為通風機的電機轉(zhuǎn)動速度改變，其中有效的分量頻率也會發(fā)生變化，采用階次分析的方法能夠有效去除轉(zhuǎn)動速度改變對振動信號的干擾[3]，降低因通風機電機轉(zhuǎn)動速度變化對信號頻率調(diào)制的影響。階次分析方法中的階次、電機的轉(zhuǎn)動速度以及故障特征的頻率可以表示為：

式中：o為階次；

f為故障特征頻率；

n為參考軸的轉(zhuǎn)動速度。

通過公式可以得出故障特征頻率與參考軸的轉(zhuǎn)動速度之比為固定大小，即礦井通風機在運行過程中，改變參考軸的轉(zhuǎn)動速度階次不會隨參考軸的轉(zhuǎn)動速度發(fā)生改變。

4.結(jié)論

礦井主通風機是煤礦生產(chǎn)不可或缺的一部分，保障井下工人們的生命安全，采用小波包聯(lián)合階次分析方法處理信號數(shù)據(jù)的礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)：

（1）礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)能夠幫助提升煤礦安全性，在故障發(fā)生前預警或者故障發(fā)生時判斷故障信息，降低煤礦因為通風機故障導致的經(jīng)濟損失。

（2）采用小波包聯(lián)合階次分析方法處理信號數(shù)據(jù)的礦井主通風機狀態(tài)監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)能夠快速準確的提取到故障信號特征，減少故障診斷的時間甚至是對故障的誤診，使礦井能安全平穩(wěn)有序的運行。