張 巖

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量十分豐富，每年的煤炭產(chǎn)量及煤炭開(kāi)采量均位居世界第一，煤炭資源的開(kāi)采成為了我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)生活最為依賴(lài)的能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤炭資源在我國(guó)一次能源消耗占比中超過(guò)7 成，足以看出煤炭資源對(duì)我國(guó)發(fā)展的重要性。在進(jìn)行煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中由于受埋深、賦存條件等因素的影響，對(duì)煤礦機(jī)械的要求也越來(lái)越高，采煤機(jī)作為截煤、裝煤的重要設(shè)備，其性能優(yōu)越性對(duì)于礦井開(kāi)采十分重要，但由于其作業(yè)高效及工況環(huán)境較為惡劣，將使得采煤機(jī)極易出現(xiàn)故障。截割部是采煤機(jī)重要的組成部分，其主要功能為割煤和落煤，一旦采煤機(jī)截割部發(fā)生故障，使得整個(gè)采煤機(jī)處于癱瘓狀態(tài)[1-2]。

截割部軸承采用滾動(dòng)軸承，其在割煤時(shí)起到一定的潤(rùn)滑作用，能夠降低采煤機(jī)工作時(shí)的磨損，軸承出現(xiàn)故障時(shí)采煤機(jī)不會(huì)停止工作，但會(huì)加大部件間的磨損，嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備。此前眾多學(xué)者對(duì)采煤機(jī)截割部軸承故障進(jìn)行過(guò)研究[3-4]，本文基于以上研究設(shè)計(jì)了一款采煤機(jī)截割部軸承故障診斷系統(tǒng)，為礦井高效及安全開(kāi)采提供參考。

1 故障診斷系統(tǒng)需求分析及總體框架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采煤機(jī)截割部軸承故障診斷系統(tǒng)前，需要對(duì)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)可行性及技術(shù)可行性進(jìn)行必要的分析，確定設(shè)計(jì)的需求。在采煤機(jī)滾動(dòng)軸承發(fā)生故障時(shí)會(huì)引發(fā)相關(guān)部位發(fā)生一定的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致相關(guān)部件發(fā)生損壞，降低部件的使用壽命。設(shè)計(jì)故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)L動(dòng)軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的故障，從而降低其他相應(yīng)部件的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。所以采煤機(jī)的截割部軸承故障診斷系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)層面來(lái)說(shuō)可行。本文采用Java 和Matlab 軟件相結(jié)合進(jìn)行編程。利用Java 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前端的設(shè)計(jì)，利用Matlab 實(shí)現(xiàn)算法及函數(shù)，所以截割部軸承的故障診斷系統(tǒng)在技術(shù)層面上也可行。

采煤機(jī)截割部軸承故障診斷系統(tǒng)通過(guò)可視化將診斷進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，便于操作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維修。軸承故障診斷的診斷原理主要是通過(guò)對(duì)軸承噪聲進(jìn)行采集及分析，對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障診斷。同時(shí)不同用戶(hù)應(yīng)當(dāng)具有不同的權(quán)限，權(quán)限分為普通權(quán)限及管理權(quán)限兩類(lèi)，其中普通權(quán)限僅能對(duì)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行查看，而管理權(quán)限在登錄后可以進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。管理員模塊包括了用戶(hù)注冊(cè)、讀入數(shù)據(jù)、用戶(hù)登錄、數(shù)據(jù)預(yù)處理、截割部故障診斷、故障診斷及操作記錄等內(nèi)容。

2 軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)采煤機(jī)截割部軸承故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，截割部軸承故障診斷系統(tǒng)框架總體可分為四部分，分別有View層、Controller 層、Service 層、DAO 層。故障診斷系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示。從圖1 中可以看出，View 層為系統(tǒng)的顯示界面，內(nèi)部包含數(shù)據(jù)顯示模塊、用戶(hù)登錄模塊、用戶(hù)注冊(cè)模塊，其主要用于人機(jī)互動(dòng)；Controller 層是系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)模塊，其是系統(tǒng)運(yùn)行的模塊核心；Service 層是系統(tǒng)運(yùn)行的邏輯模塊，其負(fù)責(zé)對(duì)采煤機(jī)截割部軸承信息進(jìn)行匯總及分析，發(fā)現(xiàn)故障信息及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的“大腦”；DAO層是數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層，其能夠?qū)⒂脩?hù)信息、診斷結(jié)果及操作記錄等進(jìn)行儲(chǔ)存，是系統(tǒng)工作的持久層。

圖1 截割部軸承故障診斷系統(tǒng)框架圖

采煤機(jī)截割部軸承故障診斷系統(tǒng)整體包含5 個(gè)子系統(tǒng)，功能模塊如圖2 所示。其中用戶(hù)登錄區(qū)分普通用戶(hù)和管理員。根據(jù)不同的標(biāo)識(shí)符判斷是哪種用戶(hù)，從而顯示不同的界面。讀入數(shù)據(jù)是由8 種不同的頻帶振動(dòng)數(shù)據(jù)和2 種不同頻帶噪聲數(shù)據(jù)組合而成，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)振動(dòng)及噪聲信息進(jìn)行讀入、整合，為后續(xù)故障診斷提供一定的依據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要是對(duì)讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪等處理，從而提升軸承數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，保證截割部故障診斷的準(zhǔn)確性及敏捷性。截割部故障診斷模塊將預(yù)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)Adaboost 集成學(xué)習(xí)算法和非線(xiàn)性邏輯回歸進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)截割部軸承存在故障信息時(shí)立刻通過(guò)截割部的故障診斷界面進(jìn)行顯示，從而達(dá)到實(shí)時(shí)報(bào)警的目的。操作記錄模塊是系統(tǒng)存儲(chǔ)操作記錄的一種方法，對(duì)操作人員的每步操作，及操作的時(shí)間、行為、功能項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)，在后期查找快捷方便。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

在采煤機(jī)截割部軸承診斷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)形成大量數(shù)據(jù)，所以對(duì)診斷過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。本系統(tǒng)采用MySOL 數(shù)據(jù)庫(kù)建立相關(guān)數(shù)據(jù)管理信息，其中建立的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部分為4 種數(shù)據(jù)表格，分別為故障診斷記錄表、用戶(hù)信息表、操作記錄表、截割部故障診斷數(shù)據(jù)記錄表。數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)表對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)，其中用戶(hù)信息表用于存儲(chǔ)用戶(hù)身份信息、密碼、用戶(hù)權(quán)限等；故障診斷記錄表主要用于記錄診斷時(shí)間、診斷編號(hào)、診斷部位以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；操作記錄表用于記錄操作人員的操作步驟及操作行為，避免出現(xiàn)操作人員的惡意篡改；截割部故障診斷記錄表主要用于存放算法診斷情況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

利用軟件進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)選用windos2017 64 位機(jī)，處理器為因特爾I5-3230M CPU，設(shè)備容量為500 GB，運(yùn)行內(nèi)容為8 GB，開(kāi)發(fā)工具選用Matlab2017a，以此完成故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)的讀取、故障診斷、數(shù)據(jù)預(yù)處理及截割部故障診斷進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割部故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在讀入數(shù)據(jù)模塊能夠正常進(jìn)行，同時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)能夠以折線(xiàn)圖形式顯示；數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊能夠正常獲得主成分，同時(shí)展示貢獻(xiàn)率直方圖；截割部故障診斷模塊能夠正常顯示Adaboost 集成學(xué)習(xí)算法故障模型機(jī)非線(xiàn)性邏輯回歸診斷模型；操作記錄模塊能夠記錄正常操作過(guò)程，當(dāng)用戶(hù)出現(xiàn)非法操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄并標(biāo)記異常；故障診斷模塊能夠正常接收診斷結(jié)果。綜合而言，采煤機(jī)截割部軸承故障診斷系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足期望要求，滿(mǎn)足礦井生產(chǎn)需要。

3 結(jié)語(yǔ)

為了避免由于采煤機(jī)截割部軸承故障導(dǎo)致設(shè)備磨損大、壽命降低的情況，設(shè)計(jì)了一款采煤機(jī)截割部軸承故障診斷系統(tǒng)，首先對(duì)設(shè)計(jì)的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)效益性進(jìn)行分析，確定了設(shè)計(jì)的必要性，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)需求設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的讀入數(shù)據(jù)模塊、故障診斷模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、操作記錄模塊及截割部故障模塊五大模塊，最后對(duì)設(shè)計(jì)的采煤機(jī)截割部軸承故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)期望要求。