尹 磊

(山西焦煤集團(tuán)正瑞能源開發(fā)有限公司，山西 太原 030000)

采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤炭開采的核心設(shè)備，受煤礦井下工作環(huán)境惡劣、采煤機(jī)負(fù)載大以及自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素影響，采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)故障，給采面煤炭回采帶來制約[1-3]。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障診斷，及時(shí)掌握故障類型及故障位置，對(duì)提高煤炭開采效率、提高采煤機(jī)管理及維護(hù)能力等方面均可起到一定促進(jìn)作用[4-6]?，F(xiàn)階段基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的采煤機(jī)故障診斷技術(shù)是研究熱點(diǎn)之一，諸多的學(xué)者及工程技術(shù)人員進(jìn)行深入探討并取得較為豐碩的研究成果，但是也面臨診斷手段單一、結(jié)果片面等問題，難以獲取較為精準(zhǔn)的故障診斷結(jié)果[7]。為解決上述問題，文中就結(jié)合以往研究成果[8-9]，提出融合參數(shù)診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)采煤機(jī)故障進(jìn)行診斷，首先采用參數(shù)診斷法對(duì)采煤機(jī)溫度、流量、壓力、電流、振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行診斷分析，隨后用深度殘差網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障發(fā)生率較高的搖臂軸承、搖臂齒輪箱等進(jìn)行分析，掌握故障原因以及故障位置，為后續(xù)采煤機(jī)故障排除、維護(hù)等提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。

1 采煤機(jī)故障診斷方法

采煤機(jī)故障診斷時(shí)，采用的參數(shù)診斷法較容易實(shí)現(xiàn)且較為簡(jiǎn)單，可快速診斷采煤機(jī)故障部位，但是也存在故障診斷結(jié)果片面、無法定位故障零部件及位置；深度殘差網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)易故障位置(如齒輪、軸承等)振動(dòng)特征提取、細(xì)化及定位，但是也面臨診斷速度較慢問題。為此，文中提出將上述兩種故障診斷方法容易，故障診斷以參數(shù)診斷法為主并將深度殘差網(wǎng)絡(luò)作為補(bǔ)充使用，充分發(fā)揮兩種故障診斷方法優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)整體故障診斷、定位。

1.1 參數(shù)診斷法

采煤機(jī)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的大型設(shè)備，整機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行是各組成部件相互配合結(jié)果，因此通過對(duì)采煤機(jī)各組成部件運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析可確定故障類型。采煤機(jī)搖臂齒輪箱、電機(jī)、牽引機(jī)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)等零部件故障發(fā)生率較高，且故障發(fā)生原因較為復(fù)雜，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。采煤機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障后零部件運(yùn)行參數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，從而為故障預(yù)警提供基礎(chǔ)。具體采煤機(jī)部分零部件監(jiān)測(cè)報(bào)警值設(shè)定情況見表1，其中高限報(bào)警值監(jiān)測(cè)值高于報(bào)警值、低限報(bào)警則指監(jiān)測(cè)值小于預(yù)警值。

表1 采煤機(jī)部分零部件監(jiān)測(cè)報(bào)警值設(shè)定情況

采煤機(jī)各零部件電流、溫度、流量以及電流等采用傳感器檢測(cè)，由于獲取數(shù)據(jù)量較大，為確保診斷系統(tǒng)平穩(wěn)、流暢運(yùn)行，采用等距間隔法讀取相關(guān)數(shù)據(jù)信息，具體參數(shù)診斷流程見圖1.傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并采用等間隔法讀取數(shù)據(jù)，連續(xù)讀取的3項(xiàng)數(shù)據(jù)均不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，診斷系統(tǒng)即通過診斷頁面顯示故障，并將故障參數(shù)存儲(chǔ)到本地故障數(shù)據(jù)庫中；通過3次數(shù)據(jù)判定以便降低非故障性因素干擾，降低誤報(bào)警發(fā)生率。

圖1 采煤機(jī)故障參數(shù)診斷流程

1.2 深度殘差網(wǎng)絡(luò)

深度殘差網(wǎng)絡(luò)可捕捉振動(dòng)信號(hào)特征集，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂軸承、齒輪等故障分類，深度殘差網(wǎng)絡(luò)核心是殘差學(xué)習(xí)模塊。深度殘差網(wǎng)絡(luò)故障診斷數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)采煤機(jī)不同故障診斷數(shù)據(jù)并作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)使用；振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲(chǔ)采煤機(jī)歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)，并當(dāng)作測(cè)試數(shù)據(jù)使用。具體采用的深度殘差網(wǎng)絡(luò)故障診斷流程見圖2.

圖2 深度殘差網(wǎng)絡(luò)故障診斷流程

深度殘差網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后系統(tǒng)自動(dòng)讀取故障診斷數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)成CSV訓(xùn)練集文件，若訓(xùn)練完成后模型準(zhǔn)確率超過99%則保存該訓(xùn)練模型，反之則需要重新訓(xùn)練；當(dāng)訓(xùn)練完成后系統(tǒng)讀取振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)為CSV文件，通過訓(xùn)練的模型對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，并輸出對(duì)應(yīng)的故障標(biāo)簽；在系統(tǒng)服務(wù)器端數(shù)量最多的標(biāo)簽即為對(duì)應(yīng)的故障類型、位置。

1.3 故障融合診斷

具體采煤機(jī)故障融合診斷流程見圖3.通過參數(shù)診斷法實(shí)時(shí)分析傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，得出故障診斷結(jié)果，若無故障則故障診斷界面顯示無故障，反之則在顯示有故障；參數(shù)診斷法發(fā)現(xiàn)有故障后，通過深度殘差網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障位置診斷信號(hào)進(jìn)行分析，從而確定具體故障結(jié)果。

圖3 采煤機(jī)故障融合診斷流程

2 故障融合診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用分析

2.1 故障融合診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)故障融合診斷系統(tǒng)采用三層架構(gòu)模式，包括有采集層、診斷層以及人機(jī)交互層，具體架構(gòu)見圖4.

圖4 采煤機(jī)故障融合診斷系統(tǒng)架構(gòu)

采集層主要依靠采煤機(jī)上布置的傳感器(類型包括電壓、電流、溫度、流量以及振動(dòng)等)對(duì)各零部件運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并經(jīng)以太網(wǎng)將檢測(cè)參數(shù)傳輸給信息中心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)；診斷層是整個(gè)故障診斷系統(tǒng)核心，通過參數(shù)診斷法、深度殘差網(wǎng)絡(luò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、故障在線診斷；人機(jī)交互層可實(shí)現(xiàn)故障診斷結(jié)果輸出以及歷史故障數(shù)據(jù)查詢等功能，功能包括有故障顯示、歷史故障查詢、檢測(cè)參數(shù)顯示以及故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

系統(tǒng)用Visual Studio 2010構(gòu)建，并以阿里云OS、SQL Sever及Python作為基礎(chǔ)支撐軟件，其中阿里云OS用于診斷系統(tǒng)調(diào)試、測(cè)試等；SQL Sever用以構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)各類檢測(cè)數(shù)據(jù)、故障診斷結(jié)果；Python編寫深度殘差網(wǎng)絡(luò)。

2.2 應(yīng)用分析

將采煤機(jī)故障融合診斷系統(tǒng)應(yīng)用到山西某礦2302綜采工作面MG300/700-WD采煤機(jī)上，具體采煤機(jī)上布置的各傳感器檢測(cè)結(jié)果見表2.傳感器檢測(cè)發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)左搖臂高速軸溫度最高可達(dá)到106 ℃.在監(jiān)測(cè)頁面中，故障以不同標(biāo)簽顏色顯示，若診斷出故障時(shí)故障態(tài)欄中顯示紅色，正常時(shí)則顯示藍(lán)色。

表2 傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)

當(dāng)左搖臂高速軸溫度達(dá)到106 ℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示故障位置，通過深度殘差網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致左搖臂高速軸溫度偏高的主要原因是截一齒輪出現(xiàn)裂紋、齒面磨損等問題，具體診斷結(jié)果為：齒輪磨損及裂紋導(dǎo)致高速軸高溫。融合診斷系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果一致，表明使用的采煤機(jī)故障融合診斷方法診斷結(jié)果可靠。

3 結(jié) 語

文章針對(duì)采煤機(jī)故障人員巡檢效率低以及現(xiàn)有診斷系統(tǒng)結(jié)果片面等問題，提出一種采煤機(jī)故障融合診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合參數(shù)診斷法、深度殘差網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障診斷、定位。參數(shù)診斷法通過比對(duì)設(shè)定閾值與實(shí)際檢測(cè)值比對(duì)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障實(shí)時(shí)診斷，保證故障診斷效率及及時(shí)性；通過深度殘差網(wǎng)絡(luò)分析軸承、齒輪等振動(dòng)參數(shù)，對(duì)故障進(jìn)一步診斷，從而得到更為精準(zhǔn)的故障診斷結(jié)果。

通過參數(shù)診斷法與深度殘差網(wǎng)絡(luò)相互融合實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障診斷。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，文中所提融合診斷系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)故障高效、精準(zhǔn)診斷，有助于減少采煤機(jī)后期維護(hù)成本并提高采煤機(jī)運(yùn)行可靠性。