胡興龍

（山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司， 山西 懷仁 038300）

0 引言

掘進(jìn)機(jī)是一種集機(jī)電液于一體的大型機(jī)械設(shè)備，在工作過程中通過控制系統(tǒng)將控制信號傳輸?shù)揭簤合到y(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，進(jìn)而控制掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行，由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，掘進(jìn)機(jī)長時(shí)間在超負(fù)荷工作的情況下極易出現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)故障，影響井下巷道的掘進(jìn)作業(yè)。為了提高掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的可靠性，目前主要是通過對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行定期維護(hù)、停機(jī)檢修的方式來實(shí)現(xiàn)，不僅效率低下，而且無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)工作過程中的異常，一旦出現(xiàn)故障后只能人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)逐個對故障進(jìn)行排查，嚴(yán)重影響了井下巷道掘進(jìn)的效率和經(jīng)濟(jì)性。

1 掘進(jìn)機(jī)故障類別分析

掘進(jìn)機(jī)是一種集機(jī)電液于一體的大型機(jī)械設(shè)備，主要包括了電控部分、機(jī)械部分和液壓部分，其在運(yùn)行過程中的故障類別也主要分為電控故障、機(jī)械故障和液壓故障，根據(jù)對掘進(jìn)機(jī)故障類別的梳理，在運(yùn)行過程中的故障主要是電控部分故障和液壓部分故障，兩種故障類型占據(jù)了掘進(jìn)機(jī)整個故障類型的80%以上。為了有效的對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行故障進(jìn)行判斷，就需要采用故障樹法，從底層開始，通過特定的邏輯算法對故障現(xiàn)象、故障原因、故障類別等進(jìn)行分析，建立故障數(shù)據(jù)庫，通過對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)特定數(shù)據(jù)信號的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行故障的快速確定。掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 掘進(jìn)機(jī)故障診斷系統(tǒng)

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)工作控制流程及故障診斷需求，本文所提出的掘進(jìn)機(jī)故障診斷系統(tǒng)以ARM嵌入式控制為核心，以設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、顯示報(bào)表為基礎(chǔ)。通過對掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的電流信號進(jìn)行監(jiān)測、分析、判斷實(shí)現(xiàn)對機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行情況的判斷。通過進(jìn)行數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)對異常事件的記錄，形成異常數(shù)據(jù)庫，滿足后續(xù)快速判斷需求。通過報(bào)表顯示系統(tǒng)和設(shè)備管理系統(tǒng)自動生成掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的維修保養(yǎng)計(jì)劃表，根據(jù)分析結(jié)果將可能出現(xiàn)故障的零件和系統(tǒng)顯示出來，指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行針對性的維護(hù)保養(yǎng)，不僅能夠有效降低維修保養(yǎng)時(shí)間，而且能夠顯著提升維護(hù)的有效性。該掘進(jìn)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示[1]。

圖2 故障診斷系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

故障診斷的核心在于數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過各類傳感器設(shè)備對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中電流信號、振動信號等分析確定掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。為了確保對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的完整性，在對多種監(jiān)測方案分析后，最終確定采用以ARM嵌入式控制系統(tǒng)為核心的監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器設(shè)備分別布置在掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動電機(jī)線路、掘進(jìn)機(jī)構(gòu)外殼、電機(jī)驅(qū)動軸等位置，滿足對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中振動、電流、速度、截割載荷等數(shù)據(jù)信息的全面監(jiān)控，該監(jiān)控單結(jié)構(gòu)如圖3 所示[2]。

圖3 掘進(jìn)機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行異常時(shí)，將自動把數(shù)據(jù)存儲在報(bào)警庫內(nèi)，然后將異常信息進(jìn)行分析和處理，確定故障原因和位置，系統(tǒng)通過存儲大量的異常因素處理方案，形成一個完整的異常原因和處理方案庫，能夠?qū)崿F(xiàn)對故障的快速識別和定位，有效提升掘進(jìn)機(jī)異常處理的效率，提升井下巷道掘進(jìn)效率和安全性。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)處理速度快、故障定位精確，對提升掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行可靠性具有十分重要的意義。

3 機(jī)電系統(tǒng)故障診斷及故障保護(hù)

掘進(jìn)機(jī)電控部分故障是各類型故障中發(fā)生率最高的，占據(jù)了整個故障類型的45%以上。對掘進(jìn)機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的故障診斷，主要是通過對異常現(xiàn)象的分析，逐層進(jìn)行排除，最終確定故障原因。為了滿足掘進(jìn)機(jī)工作穩(wěn)定性的需求，要求故障診斷具有快速性和全面性，而且要能有效的識別出系統(tǒng)參數(shù)波動引起的誤報(bào)警現(xiàn)象。因此在對多種故障診斷方法進(jìn)行分析后，最終確定選用基于故障樹原理的診斷方法。

故障樹診斷法，首先要建立故障樹庫，對故障樹內(nèi)的故障判別邏輯、底層、中層、頂層事件進(jìn)行分別定義，進(jìn)而根據(jù)故障現(xiàn)象逐層的對故障因素進(jìn)行分析判斷，以定量分析的形式確定故障因素，保證故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性，該故障樹建模流程如圖4所示[3]。

圖4 故障樹建模流程示意圖

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)機(jī)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，為了避免影響范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，在故障診斷系統(tǒng)內(nèi)加入了電氣保護(hù)功能，根據(jù)故障監(jiān)測的結(jié)果自動停止故障模塊的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對故障的隔離。以對驅(qū)動電機(jī)的監(jiān)測為例，系統(tǒng)以電流、電壓等監(jiān)測傳感器為基礎(chǔ)，對驅(qū)動電機(jī)的三相工作電流、電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)，對驅(qū)動電機(jī)的過載、過流、運(yùn)行溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行判斷，進(jìn)而確定驅(qū)動電機(jī)是否存在故障，一旦判斷有異常，系統(tǒng)將對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充延遲監(jiān)測，若系統(tǒng)還是判斷電機(jī)故障，則將啟動電氣保護(hù)，對繼電器和接觸器開關(guān)進(jìn)行釋放，觸點(diǎn)斷開，切斷對驅(qū)動電機(jī)的電源供應(yīng)，避免電機(jī)出現(xiàn)燒毀等重大事故[4]。

除了以上保護(hù)機(jī)制外，掘進(jìn)機(jī)的電氣保護(hù)還包括了漏電保護(hù)、閉鎖保護(hù)、過熱保護(hù)等[5]，從而確保掘進(jìn)機(jī)機(jī)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的安全性。同時(shí)系統(tǒng)還具有智能擴(kuò)展和自動輸出維護(hù)計(jì)劃的功能，根據(jù)對機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行情況的監(jiān)測，確定異常量偏移的頻率，及時(shí)對高頻率的異常波動進(jìn)行報(bào)警，提醒維護(hù)人員及時(shí)跟進(jìn)維護(hù)，不僅能夠有效降低設(shè)備維護(hù)時(shí)間，而且能夠顯著提升維護(hù)的有效性。

4 應(yīng)用情況分析

以EBZ300 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)[6]為研究對象，對其進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障自動診斷及保護(hù)功能，然后對其優(yōu)化前后的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)⒐收隙ㄎ凰俣扔勺畛醯?2 min 降低到了目前的0.36 min，故障定位速度提升了97%。掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行中的停機(jī)故障由最初的11.2 次/月降低到了目前的2.3 次/月，將故障停機(jī)率降低86.4%，對提升掘進(jìn)機(jī)的工作穩(wěn)定性具有十分重要的意義。該故障診斷分析平臺終端如圖5所示。

圖5 故障診斷平臺顯示界面

5 結(jié)論

為了解決掘進(jìn)機(jī)故障排查效率低下，嚴(yán)重影響巷道正常掘進(jìn)作業(yè)的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)機(jī)電故障自動診斷系統(tǒng)，能夠自動對機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測、故障定位、故障報(bào)警，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）掘進(jìn)機(jī)故障診斷系統(tǒng)以ARM嵌入式控制為核心，以設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、顯示報(bào)表為基礎(chǔ)，通過對掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的電流信號進(jìn)行監(jiān)測、分析、判斷實(shí)現(xiàn)對機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行情況的判斷，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

2）基于故障樹原理的診斷方法，能夠根據(jù)故障現(xiàn)象逐層的對故障因素進(jìn)行分析判斷，以定量分析的形式確定故障因素，保證故障診斷的快速性和準(zhǔn)確性。

3）系統(tǒng)具有漏電保護(hù)、閉鎖保護(hù)、過熱保護(hù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)對故障的快速隔離，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

4）新的故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)⒐收隙ㄎ凰俣忍嵘?7%，將故障停機(jī)率降低86.4%，對提升掘進(jìn)機(jī)的工作穩(wěn)定性具有十分重要的意義。