王 磊

（福建省閩東南地質(zhì)大隊(duì)，福建 泉州 362000）

0 引言

煤礦地質(zhì)勘探作業(yè)危險(xiǎn)性比較大，及時發(fā)現(xiàn)并維修勘探機(jī)械設(shè)備的故障，對于保障煤礦安全生產(chǎn)、提高煤礦的生產(chǎn)效益具有重要作用[1]。目前煤礦地質(zhì)勘探的機(jī)械設(shè)備主要通過分析設(shè)備振動的信號確認(rèn)故障再加以維修[2]。但是在分析振動信號時誤差大、精確度不高，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備故障維修不足或者維修過度[3]。采用機(jī)械振動技術(shù)檢測故障，通過改進(jìn)對振動信號的分析方法可以有效提高機(jī)械故障的檢測精度[4]。RCM理論是從經(jīng)濟(jì)與安全的角度出發(fā)，建立機(jī)械設(shè)備管理維修一體化，節(jié)約煤礦安全生產(chǎn)的保障成本[5]。通過機(jī)械振動技術(shù)提高檢測機(jī)械設(shè)備故障的精確率并采用RCM 理論完善機(jī)械設(shè)備故障維修體系，以期建立一體化的機(jī)械設(shè)備管理維修，保證安全的前提下，降低維修成本。

1 判斷機(jī)械設(shè)備故障征兆點(diǎn)

機(jī)械設(shè)備的故障維修主要是在設(shè)備運(yùn)行階段，對會發(fā)生故障的部位進(jìn)行小修，以消除影響勘探機(jī)械設(shè)備的潛在故障，提高機(jī)械設(shè)備的使用壽命[6]。根據(jù)機(jī)械設(shè)備的故障曲線圖1，輔助判斷機(jī)械設(shè)備的征兆點(diǎn)。

圖1 勘探設(shè)備故障率曲線圖

根據(jù)圖1 可知，機(jī)械設(shè)備在早期運(yùn)行階段受磨合調(diào)試因素的影響，故障率會增高；設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行過程以及正常生產(chǎn)期時，不容易發(fā)生故障，故障率比較穩(wěn)定。后期機(jī)械設(shè)備的組件存在老化情況，故障率上升。判斷故障征兆點(diǎn)主要是在設(shè)備的穩(wěn)定生產(chǎn)期，機(jī)械在穩(wěn)定運(yùn)行中一些組件出現(xiàn)微小磨損等故障，就是故障征兆點(diǎn)階段的開始。在故障發(fā)生征兆點(diǎn)開始維修，可以增加設(shè)備使用壽命，合理利用維修資源。根據(jù)威布爾分布定理，機(jī)械設(shè)備在使用中狀態(tài)隨著時間變化如圖2 所示。

圖2 設(shè)備狀態(tài)變化圖

A 點(diǎn)指設(shè)備故障發(fā)生的開始點(diǎn)。B 指設(shè)定的故障征兆點(diǎn)，C 指實(shí)際的故障征兆點(diǎn)，F(xiàn) 指功能故障發(fā)生點(diǎn)。指設(shè)定的故障征兆點(diǎn)與實(shí)際的故障征兆點(diǎn)的實(shí)踐間隔。在A 設(shè)備故障發(fā)生點(diǎn)到C 產(chǎn)生故障點(diǎn)的時間內(nèi)判斷故障征兆點(diǎn)B 進(jìn)行檢測維修，維修之后Te的值越小T 值越大說明判定的故障征兆點(diǎn)越接近機(jī)械故障的臨界點(diǎn)。

2 機(jī)械振動故障檢測

2.1 振動信號采集

確認(rèn)機(jī)械設(shè)備故障征兆點(diǎn)后，對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障檢測[7]。振動信號診斷故障的第一步是對運(yùn)行中的勘探機(jī)械進(jìn)行信號采集。煤礦地質(zhì)勘探過程中，環(huán)境比較嘈雜，對振動信號的干擾較大，為提高采樣精度，需要對原始振動信號進(jìn)行低通濾波，過程如圖3 所示。

圖3 勘探機(jī)械振動信號低通濾波流程圖

通過低通濾波的方式過濾掉原始振動信號中的高頻濾波，限制振動信號帶寬，解決使用A/D 轉(zhuǎn)換方法采集數(shù)據(jù)信息時，存在因采樣頻率過低導(dǎo)致的頻率混迭問題，提高采樣精度。采用的技術(shù)是A/D 轉(zhuǎn)化法將不斷產(chǎn)生的機(jī)械振動信號變?yōu)槿菀讉鬏?、儲存、分析的?shù)字信號，基于A/D 轉(zhuǎn)化方法的信號采集分為三步：采樣、量化、編碼。具體流程圖如圖4 所示。

圖4 勘探機(jī)械振動信號信號采集流程圖

具體信號采集流程是：淤采樣，為保證一次轉(zhuǎn)化傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確精度，在進(jìn)行A/D 信號轉(zhuǎn)化時，需要保持轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓不變，輸出的是精度較高的連續(xù)信號。于量化，對一次轉(zhuǎn)化生成的連續(xù)信號進(jìn)行幅值量化。即將轉(zhuǎn)化的連續(xù)信號的數(shù)值成整數(shù)倍的量化。A/D 轉(zhuǎn)化位的數(shù)值越大，量化誤差越小。盂編碼，采樣將連續(xù)信號變?yōu)殡x散序列。代表采樣頻繁程度，數(shù)值越小，采樣越頻繁，需要的計(jì)算量以及內(nèi)存也越大。如果值太大，容易丟失振動信號，引起混頻，降低分析精度。因此先對原始信號進(jìn)行低通濾波，再通過A/D 轉(zhuǎn)化方式采集的數(shù)據(jù)信號具有較高的精確度，以此來實(shí)現(xiàn)振動信號的采集過程。

2.2 時域及頻譜分析

完成振動信號的采集之后，使用數(shù)據(jù)挖掘中的離散化方式將數(shù)據(jù)信號預(yù)處理，而后從時域和頻譜兩個緯度對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析。

進(jìn)行時域分析時，主要通過對數(shù)據(jù)信號的波形的振幅大小以及變化快慢特性進(jìn)行分析。根據(jù)煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械設(shè)備的反饋值提取振動數(shù)據(jù)信號的峭度值、均方根值等參數(shù)。振動數(shù)據(jù)信號的峭度值茁的計(jì)算式為：

式中，N 代表一個波形周期中數(shù)據(jù)采樣個數(shù)，對應(yīng)個數(shù)的振動幅度值用xt表示，峭度對大幅值敏感。在機(jī)械發(fā)生故障的早期，振動信號收到?jīng)_擊脈沖時，峭度值可以準(zhǔn)確的反映機(jī)械早期的故障。但是機(jī)械故障后期，峭度隨故障的發(fā)展會下降，穩(wěn)定性降低。這時需要另一個參數(shù)均方根值。均方根Xrms的計(jì)算式：

式中，T 代表波形的周期值。均方根值具有良好的穩(wěn)定性，適用于故障檢測的全程檢測。通過煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中的振動信號檢測，確認(rèn)機(jī)械中的原件在運(yùn)行中存在異常，選定該征兆點(diǎn)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與正常時刻的時域指標(biāo)范圍對比，初步評估機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)運(yùn)行情況。繼而對振動信號的頻譜做進(jìn)一步分析。

進(jìn)行頻譜分析時，將振動數(shù)據(jù)信號的振動周期與頻率作為主要指標(biāo)，研究幅值隨著頻率的變化情況。定義機(jī)械設(shè)備發(fā)生振動產(chǎn)生能量變化的總和為幅值，幅值X（棕）的主要計(jì)算式：

式中，棕代表角頻率，通過檢測各頻率對應(yīng)的振幅總和的變化情況，檢測出機(jī)械設(shè)備原件的故障情況。不同工況下，機(jī)械的頻譜幅值是不同的，若頻譜中幅值波峰同步，相關(guān)人員則可發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備原件中存在葉片磨損、不平衡、不對中等故障；若幅值波峰次同步，則代表機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)皮帶松動、油膜渦動等故障；幅值波峰不同步，則可判斷出機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生氣穴、噪音等現(xiàn)象。

2.3 故障特征提取

對采集到的煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械師設(shè)備的振動信號進(jìn)行時域及頻譜的分析之后，根據(jù)對應(yīng)振動信號與產(chǎn)生的故障做特征提取，總結(jié)探勘機(jī)械設(shè)備主要存在幾種故障，對應(yīng)的故障特征見表1。

表1 煤礦勘探機(jī)械常見故障特征

由表1 可知，淤振動不平衡故障在信號頻譜中的表現(xiàn)，振動頻率在1 倍轉(zhuǎn)速時的更加突出振動尖峰，且振動幅值總是大于總振動幅值的85%。于機(jī)械不對中故障，振動信號的出現(xiàn)高倍頻率特征，振動出現(xiàn)較強(qiáng)的穩(wěn)定性，矢量沒有改變。盂轉(zhuǎn)子徑向摩擦中，振動信號出現(xiàn)高頻振動特征，且振動頻率不穩(wěn)定，矢量出現(xiàn)變化。榆油膜渦動故障中，振動頻率是正常機(jī)械振動頻率的一半，隨著機(jī)械設(shè)備的繼續(xù)運(yùn)行，信號振動頻率穩(wěn)定在一倍頻率以上，徑向振動振幅較大。矢量發(fā)生改變。虞滾動軸承損傷，振動信號頻率較高，振動極不穩(wěn)定，振動頻率隨著軸承的損傷發(fā)生改變，矢量發(fā)生改變而且變化量比較大。

分析勘探設(shè)備機(jī)械振動信號的頻譜，將每條頻譜分量的幅值大小，變化情況以及存在關(guān)系與機(jī)械故障特征對照聯(lián)系，可以確定勘探機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，從而完善設(shè)備維修周期，建立科學(xué)的維修體系。

3 RCM 管理體系維修

3.1 計(jì)算故障維修周期

上述利用機(jī)械信號振動技術(shù)檢測了勘探機(jī)械設(shè)備的不同組件發(fā)生故障的特征，接下來需要根據(jù)不同的組件對應(yīng)的故障進(jìn)行維修分析，制定適當(dāng)?shù)木S休計(jì)劃。在RCM 理論中，確定設(shè)備維修計(jì)劃的關(guān)鍵是計(jì)算維修周期。維修周期的大小決定了故障率以及維修成本。因此，在計(jì)算故障維修周期時，引入總維修成本概念，即維修成本與故障損失之和。只要使總維護(hù)成本達(dá)到最小，就可判斷此時為機(jī)械設(shè)備的最佳維護(hù)周期。故障維修周期T 的計(jì)算式：

式中Tf，C（T）指的是總故障維修成本，指的是組件故障功能后，需要維修的平均時間；TP指的是組件功能故障前，預(yù)測維修需要平均時間。R（T）指根據(jù)威布爾分布計(jì)算的機(jī)械設(shè)備組件可靠性的分布函數(shù)，Cf指組件功能故障后，需要維修的平均成本，CP指組件功能故障前，預(yù)測維修需要平均成本?？偝杀咀钚r，則為最佳故障維修周期。煤礦地質(zhì)勘探設(shè)備的機(jī)械維修，重點(diǎn)在于預(yù)防性維修中，確定最佳維修周期，能夠有效降低煤礦勘探機(jī)械設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)，最大限度提高設(shè)備的耐久性與安全性。

3.2 管理維修一體化

把煤礦勘探設(shè)備的故障維修檢測、維修時間、維修成本、維修周期以及維修反饋等集中維修要素結(jié)合在一起，采用RCM 思想，將故障造成的成本與維修成本控制在最小，從而建立科學(xué)的機(jī)械設(shè)備的管理維修一體化。建立一體化管理的主要步驟是對運(yùn)行設(shè)備的維修情況進(jìn)行及時的記錄并分析，為進(jìn)一步管理做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。為保障一體化管理的可靠性，根據(jù)RCM 思想建立煤礦地質(zhì)勘探設(shè)備維修管理一體化流程，RCM最重要的步驟是判定不同級別的故障模式，以及故障造成的影響。在組件的故障分析中，主要對組件的故障形成原因以及對勘探設(shè)備造成影響的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終確定故障率高組件，優(yōu)化管理維修系統(tǒng)。為提高維修效率，在預(yù)防性維護(hù)間隔內(nèi)，對組件故障進(jìn)行組合維修。RCM 維修管理一體化的可靠性主要通過機(jī)械設(shè)備故障后的影響程度來確定故障維修的優(yōu)先度，從而選擇合適的維修方案。設(shè)計(jì)評估體系以機(jī)械設(shè)備的實(shí)際出動率，維修方案的落實(shí)情況、維修材料以及零件的供應(yīng)情況、以及故障周期的合理程度四個緯度為評估標(biāo)準(zhǔn)，通過合理性評估保證機(jī)械設(shè)備維修管理的科學(xué)性。

4 結(jié)語

煤礦地質(zhì)勘探機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行，對煤礦安全高效的生產(chǎn)具有重要意義。通過確認(rèn)機(jī)械故障征兆點(diǎn)，運(yùn)用機(jī)械振動技術(shù)檢測故障，以及測算故障維修周期進(jìn)而建立勘探設(shè)備管理維修一體化。通過機(jī)械振動信號分析故障可以極大提高故障檢測的準(zhǔn)確精度，建立具有RMD 思想的維修管理一體化，提高機(jī)械維修管理的可靠性。本研究提出的機(jī)械振動檢測技術(shù)以及建立的RMD 維修管理一體化機(jī)制能夠提高煤礦勘探機(jī)械設(shè)備的維修效率，能夠?yàn)榇龠M(jìn)煤礦勘探事業(yè)的發(fā)展提供一定參考。