米海峰

（霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦， 山西 臨汾 041600）

引言

通風(fēng)機(jī)作為向煤礦井下巷道供風(fēng)的核心裝備，其運(yùn)行穩(wěn)定性直接決定了井下的通風(fēng)安全，為了保證高通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，各煤炭生產(chǎn)企業(yè)均高度重視對通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，開發(fā)了一系列的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的持續(xù)監(jiān)測。在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)目前多數(shù)通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、風(fēng)壓監(jiān)測較為精確，但對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的偏心、軸承故障、轉(zhuǎn)子不對中故障的監(jiān)測精確性極低，無法及時(shí)識(shí)別，導(dǎo)致故障的不斷惡化，最終造成風(fēng)機(jī)停機(jī)、機(jī)架斷裂等，嚴(yán)重影響了礦井通風(fēng)安全。

針對以上難題，結(jié)合智能診斷技術(shù)的發(fā)展，提出了一種新的基于振動(dòng)傳感器的礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其核心是通過對風(fēng)機(jī)常見隱秘故障振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測，獲取其振動(dòng)特征信號(hào)，然后通過振動(dòng)傳感器對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測，在經(jīng)過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能分析后確定風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況的智能判斷。

1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行隱秘故障分析及監(jiān)測需求

通過對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障的分析，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中比較常見的隱秘故障主要包括轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子運(yùn)行不平衡、風(fēng)機(jī)運(yùn)行喘振以及機(jī)組松動(dòng)，其故障率占據(jù)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行整個(gè)故障率的89%以上[1]。

轉(zhuǎn)子不對中：主要是指風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子在水平或者角度不對中，主要是制造誤差以及在長期運(yùn)行過程中因磨損導(dǎo)致的偏離。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子不對中時(shí)，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)振幅過大，通過對其運(yùn)行特性的分析，其振動(dòng)時(shí)還伴隨有高頻的振動(dòng)信號(hào)，最少為2 倍倍頻，且偏心越嚴(yán)重其運(yùn)行時(shí)的倍頻越高。

轉(zhuǎn)子運(yùn)行不平衡：主要是由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子在制造過程中由于質(zhì)量分布不均勻?qū)е禄蛘哂捎谀p導(dǎo)致的偏心，在運(yùn)行時(shí)會(huì)伴隨有顯著的高頻振幅，一般為運(yùn)行時(shí)的1～2 倍倍頻，其他運(yùn)行振動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)子不平衡時(shí)的振動(dòng)信號(hào)類似。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行喘振：風(fēng)機(jī)在工作時(shí)，由于井下氣流分布紊亂或者運(yùn)行轉(zhuǎn)速不平衡容易發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)，在喘振發(fā)生時(shí)其特征頻率為0.5 倍低頻，常伴頻率為1 倍低頻，存在著較大的不穩(wěn)定性。

風(fēng)機(jī)基座松動(dòng)，主要是風(fēng)機(jī)固定螺絲的松動(dòng)或者地基下沉、傾斜導(dǎo)致的，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)在水平或者垂直方向上產(chǎn)生異常的波動(dòng)，其工作時(shí)的特征頻率為0.5～0.86 倍低頻，常伴頻率為2～3 倍低頻。

傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由于存在局限性，無法對以上隱秘故障進(jìn)行有效的監(jiān)控，因此需要開發(fā)全新的監(jiān)測系統(tǒng)，要求能夠準(zhǔn)確地對風(fēng)機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對振動(dòng)特性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對隱秘故障的精確定位。

2 通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

該通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，是在通風(fēng)機(jī)的不同位置設(shè)置振動(dòng)傳感器，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)特性信號(hào)進(jìn)行采集，然后通過數(shù)據(jù)分析，判斷其故障狀態(tài)類型，其監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由于風(fēng)機(jī)工作環(huán)境惡劣，在運(yùn)行過程中振動(dòng)類型多、持續(xù)時(shí)間長，因此對振動(dòng)傳感器的可靠性和監(jiān)測精度要求極高，經(jīng)過多次實(shí)際測試，最終選擇了AMV-70420 型振動(dòng)傳感器[2]，其靈敏性達(dá)到了18.2 mV/gn。為了滿足監(jiān)測精確性的需求，在風(fēng)機(jī)的徑向水平測定、徑向垂直測點(diǎn)以及軸向測點(diǎn)上分別設(shè)置傳感器，滿足監(jiān)測可靠性的需求。

系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀采用了防爆型多路振動(dòng)采集儀[3]，數(shù)據(jù)傳輸采用了高速光纖，滿足各類監(jiān)測數(shù)據(jù)高速的傳輸需求。

3 故障判斷理論

由于風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中本身就存在著一定的振動(dòng)，而且在運(yùn)行過程中會(huì)受到多種因素的影響，導(dǎo)致振動(dòng)傳感器監(jiān)測到的振動(dòng)狀態(tài)信號(hào)包含很多的雜波，要想精確地對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，就需要能快速、精確地識(shí)別出對應(yīng)的振動(dòng)狀態(tài)信號(hào)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模式無法很好地進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)信息判斷，因此本文提出了一種新的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷邏輯。

在進(jìn)行故障分析邏輯構(gòu)建時(shí)，首先要對不同狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)特征進(jìn)行分析，然后確定不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最終再確定風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況下的特征向量維數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)獲取運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)信息后，將振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)綐?gòu)建完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里，通過不斷的訓(xùn)練和匹配，最終獲取一個(gè)滿足給定誤差的數(shù)據(jù)輸出，精確地確定振動(dòng)信號(hào)的特征類型并快速匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對故障的快速定位，該小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析原理如圖2 所示[4]。

圖2 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析邏輯示意圖

4 風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

該運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用以后，對風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。煤礦井下巷道深度為443 m，工作面采用三進(jìn)一回的全風(fēng)壓通風(fēng)方式，工作面最小進(jìn)風(fēng)量為進(jìn)風(fēng)巷槽、設(shè)備安裝巷與切眼的最小進(jìn)風(fēng)量之和為1 178.1 m3/min，工作面最大進(jìn)風(fēng)量為進(jìn)風(fēng)順槽、設(shè)備安裝巷與切眼的最大進(jìn)風(fēng)量之和11 785.0 m3/min。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中監(jiān)測系統(tǒng)共檢測出3 次轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子運(yùn)行不平衡故障，出現(xiàn)故障后自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，提醒作業(yè)人員進(jìn)行維修。根據(jù)統(tǒng)計(jì)其對風(fēng)機(jī)隱秘故障的檢測精度達(dá)88.5%以上，顯著提升了風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的安全性和可靠性，風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場圖

5 結(jié)論

1）風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中比較常見的隱秘故障主要包括轉(zhuǎn)子不對中、轉(zhuǎn)子運(yùn)行不平衡、風(fēng)機(jī)運(yùn)行喘振以及機(jī)組松動(dòng)，其故障率占據(jù)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行整個(gè)故障率的89%以上。

2）小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷邏輯，能夠精確的確定振動(dòng)信號(hào)的特征類型并快速匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對故障的快速定位；

3）該監(jiān)測系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)隱秘故障的檢測精度達(dá)88.5%以上，對提升礦井通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性具有十分重要的意義。