李薇

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川 南充 637131）

長期以來，中國制造業(yè)大而不強(qiáng)，資源消耗大、污染排放高。為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，2015-05-08，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》行動綱領(lǐng)，推動制造業(yè)由勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，發(fā)展智能制造。煤礦在相當(dāng)長時間仍將作為中國主體能源，在“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下，建設(shè)智慧礦山，進(jìn)行智能開采是推動煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路[1]。由于礦山機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境惡劣、長期超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備故障時有發(fā)生。采用計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通信等技術(shù)進(jìn)行智能化故障診斷是保障生產(chǎn)效率，降低安全事故的重要手段[2]。

1 礦山機(jī)械設(shè)備故障原因

礦山機(jī)械是指應(yīng)用于選礦、采礦、探礦的機(jī)械，包括鑿巖機(jī)、鉆車、礦車、挖掘機(jī)等，礦山機(jī)械設(shè)備長期在粉塵、噪聲、高溫、滑坡、地面塌陷等惡劣的工作環(huán)境下運(yùn)行，設(shè)備損耗比其他設(shè)備高[3]。為了追求經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)備長時間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承、齒輪、鉆頭等零件會產(chǎn)生磨損、疲勞、斷裂、老化等形式的失效，使零件之間的配合關(guān)系發(fā)生變化，造成設(shè)備故障[4]。此外，在設(shè)備安裝、使用、維修、拆卸過程中未按照規(guī)范和流程操作，如未及時補(bǔ)充潤滑油，使設(shè)備的零部件受到損壞，縮短使用壽命。在對礦山設(shè)備進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時存在設(shè)計(jì)缺陷，未考慮到生產(chǎn)過程中的實(shí)際情況，一旦在某些特定環(huán)境下工作也可能導(dǎo)致故障發(fā)生。

2 故障診斷技術(shù)概述

故障診斷技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)及人工智能技術(shù)，對機(jī)械系統(tǒng)所處的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)行故障識別，當(dāng)出現(xiàn)異常時分析其產(chǎn)生的原因和部位，并進(jìn)行趨勢預(yù)測的技術(shù)[5]。故障診斷一般由以下幾個主要工作環(huán)節(jié)組成：①確立運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容。設(shè)備在運(yùn)行時會產(chǎn)生許多狀態(tài)的數(shù)據(jù)，如振動信號、溫度、輸出參數(shù)等，如對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)設(shè)備處于故障狀態(tài)時，會出現(xiàn)某個參數(shù)異常[6]。根據(jù)被監(jiān)測對象的結(jié)構(gòu)及現(xiàn)有測試設(shè)備條件等因素確定監(jiān)測內(nèi)容，包括確立監(jiān)測方式、監(jiān)測部位、監(jiān)測參數(shù)等方面的內(nèi)容。②建立測試系統(tǒng)。根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測內(nèi)容選取傳感器及其配套設(shè)施，組成測試系統(tǒng)，用以收集故障診斷所需信息。建立一個數(shù)學(xué)模型來精確反映性能狀態(tài)參數(shù)隨時間的變化趨勢，并能直觀反映設(shè)備的運(yùn)行狀況，所建立的模型能對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對故障的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)判[7]。③測試、分析及信息提取。利用振動、溫度、壓力等傳感器進(jìn)行信號采集，并通過濾波、異常數(shù)據(jù)的剔除、各種分析計(jì)算等手段進(jìn)行信號的特征提取，從有限的信號中獲得盡可能多的關(guān)于被診斷對象狀態(tài)的有用信息[8]。④狀態(tài)監(jiān)測、判斷及預(yù)報。對提取的特征信號進(jìn)行分析和研究，并將其與設(shè)備運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比對，監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，判斷被診斷對象的發(fā)展趨勢，并對設(shè)備故障的發(fā)展和零部件的壽命進(jìn)行預(yù)報[9]。

3 礦山機(jī)機(jī)械設(shè)備故障診斷的主要技術(shù)類別

3.1 主觀診斷技術(shù)

主觀診斷技術(shù)是指由設(shè)備維修人員憑借對設(shè)備的熟悉和對運(yùn)行環(huán)境的了解，依據(jù)豐富的檢測知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，借助自身的視覺、聽覺、直覺、經(jīng)驗(yàn)及簡便的檢測儀器，采用參數(shù)測量法、故障樹分析法、邏輯分析法等方法對礦山機(jī)械設(shè)備的故障進(jìn)行檢測的技術(shù)[10]。通過主觀診斷技術(shù)能快速確定故障發(fā)生的部位及原因，有效縮短設(shè)備維修時間，具有一定的實(shí)用價值。但主觀診斷技術(shù)對維修人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求較高，既要有扎實(shí)的理論知識基礎(chǔ)，又要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，還要保持終身學(xué)習(xí)的態(tài)度，不斷更新自身知識和技能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜程度逐漸增加，一個位置的狀態(tài)變化會影響機(jī)械設(shè)備整體的性能，采用主觀診斷技術(shù)可能存在偏差，難以達(dá)到精確的診斷效果。

3.2 儀器診斷技術(shù)

儀器診斷技術(shù)是指維修人員在機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障后，結(jié)合設(shè)備的運(yùn)行情況，利用儀器采集設(shè)備振動、溫度等數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和運(yùn)算，由部分顯像設(shè)備進(jìn)行體現(xiàn)，明確故障位置、類型、頻率及發(fā)展趨勢[11]。儀器診斷技術(shù)比主觀診斷技術(shù)具有更高的精準(zhǔn)度。隨著科技的進(jìn)步，各種診斷儀器的功能更加完善，可實(shí)現(xiàn)故障診斷的動態(tài)監(jiān)控，能提高診斷精度和效率，降低礦山機(jī)械設(shè)備在使用中發(fā)生故障的概率，減少企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 智能診斷技術(shù)

智能診斷技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐，對機(jī)電設(shè)備故障信號進(jìn)行動態(tài)采集，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法及專家系統(tǒng)等對采集的故障信號進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而進(jìn)行判斷機(jī)電設(shè)備的故障[12]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用虛擬人類大腦的組織性和適應(yīng)性形成記憶和學(xué)習(xí)功能，從而精確診斷出設(shè)備的故障。模數(shù)算法是收集設(shè)備數(shù)據(jù)并建模，然后進(jìn)行故障形成的模擬，對故障成因進(jìn)行分析和矩陣排列，從而確認(rèn)故障部位和類型。專家系統(tǒng)是將搜集的故障類型建立故障類型數(shù)據(jù)庫，然后模擬專家思維，進(jìn)行技術(shù)建模和故障診斷。

4 礦山機(jī)械設(shè)備維修中的故障診斷技術(shù)

4.1 振動診斷技術(shù)

礦山機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)會造成設(shè)備的振動，設(shè)備啟動的加速度、運(yùn)行速度和產(chǎn)生的位移等振動參數(shù)能反映設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)了變形、磨損、裂紋等損傷或零件裝配間隙增大等問題時，往往造成振動能量的增加。因此采用振動診斷技術(shù)，以機(jī)械系統(tǒng)在某種激勵下的振動響應(yīng)作為診斷信息的來源，利用在軸承、齒輪等零件相應(yīng)的部位安裝的振動傳感器進(jìn)行振動監(jiān)測，獲得較為全面的振動參量，輸出位移變化曲線圖和頻譜圖，并對其進(jìn)行分析處理，從而判斷機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，診斷機(jī)械設(shè)備的故障部位、故障程度以及故障原因[13]。振動診斷技術(shù)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并形成直觀的數(shù)據(jù)分析報告，反映機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中的動態(tài)特征。

4.2 溫度診斷技術(shù)

溫度是表征機(jī)械設(shè)備故障情況的重要指標(biāo)，當(dāng)設(shè)備長時間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、潤滑不良、零件老化造成設(shè)備異常磨損、液壓系統(tǒng)油液質(zhì)量惡化、發(fā)動機(jī)排氣管阻塞等故障都會導(dǎo)致設(shè)備相應(yīng)部位溫度升高。溫度過高會導(dǎo)致機(jī)械零件硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能降低，甚至造成零件燒損，礦山機(jī)械設(shè)備的軸承就經(jīng)常因高溫而燒壞。溫度診斷技術(shù)是通過檢測溫度目標(biāo)、溫度場、溫度輻射和熱圖像來測量機(jī)械設(shè)備溫度的技術(shù)，紅外熱像儀把物體發(fā)射的紅外輻射能量搜集起來轉(zhuǎn)換成電信號，然后對電信號進(jìn)行放大、處理，并利用物體溫度與其輻射功率大小的對應(yīng)關(guān)系顯示出物體溫度的測量結(jié)果，能實(shí)現(xiàn)非接觸、遠(yuǎn)距離測溫。

4.3 油樣分析技術(shù)

為保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行，通常會應(yīng)用到潤滑油、液壓油等油液。機(jī)械設(shè)備零件間摩擦而產(chǎn)生的磨損顆粒會進(jìn)入潤滑油并隨其在機(jī)器中循環(huán)流動，通過對潤滑油中的磨粒成分、數(shù)量、形貌和大小進(jìn)行分析，可以判斷機(jī)械設(shè)備的磨損部位、磨損類型和磨損程度，常用的分析技術(shù)包括鐵譜分析法、光譜分析法和磁塞檢測法。液壓油主要應(yīng)用于礦山機(jī)械設(shè)備的液壓支架的工作中，主要有傳力、潤滑、防腐、防銹等作用。當(dāng)液壓油黏度降低時，會造成液壓系統(tǒng)泄漏量增加，潤滑性能變差，加劇零件磨損。當(dāng)液壓油中磨粒含量超標(biāo)時，易導(dǎo)致液壓管道堵塞，要利用傳感器采集油液黏度、金屬顆粒含量等參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，保證礦山機(jī)械設(shè)備運(yùn)行需求。

4.4 無損檢測技術(shù)

礦山機(jī)械設(shè)備的液壓桿件、電機(jī)軸承、傳動軸、傳動齒輪等部件承受較大的載荷，易產(chǎn)生裂紋等損傷，并隨著設(shè)備使用壽命增加而惡化，因此要對缺陷進(jìn)行早期診斷和處理。無損檢測是在不損壞零件未來使用性能的前提下，利用聲、光、電、磁等特性分析檢測信號，對其內(nèi)部損傷進(jìn)行探測的技術(shù)，包括超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測等方法，其中超聲波檢測和射線檢測運(yùn)用最廣。超聲波檢測利用探頭接收從缺陷處反射或穿透的超聲波，并根據(jù)反射波或投射波的時延或衰減情況獲得設(shè)備零件內(nèi)部缺陷位置、大小和性質(zhì)等方面信息。射線檢測技術(shù)通過X射線、α射線、β射線、γ射線、電子射線和中子射線等檢測射線透過被檢物體后的強(qiáng)度的差異，對設(shè)備零件中的缺陷進(jìn)行檢測。

5 礦山機(jī)械設(shè)備的維護(hù)策略

5.1 完善設(shè)備維修制度

礦山機(jī)械設(shè)備的使用效率和運(yùn)行安全需要健全的制度的保障，要制定設(shè)備操作、維修和保養(yǎng)的規(guī)程，組建檢測小組，定期對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行動態(tài)檢查，分析檢測數(shù)據(jù)，判斷是否存在故障，分析故障原因，明確維修重點(diǎn)。實(shí)行專人、專時、專機(jī)的制度，將責(zé)任落實(shí)到人，提高技術(shù)人員責(zé)任心，防止因操作或保養(yǎng)不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備故障。建立智能化的礦山機(jī)械設(shè)備管理體系，對礦山機(jī)械設(shè)備建立檔案資料，對設(shè)備運(yùn)行檢修情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和動態(tài)管理。制定監(jiān)督考評機(jī)制，要求設(shè)備者操作上崗之前必須進(jìn)行技能培訓(xùn)和專業(yè)考核，對其在機(jī)械設(shè)備操作、運(yùn)維中的表現(xiàn)進(jìn)行評估并制定獎懲措施。

5.2 重視礦山機(jī)械設(shè)備的保養(yǎng)

落實(shí)三級保養(yǎng)制度，通過擦拭、潤滑、調(diào)整等方式對礦山機(jī)械設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，使設(shè)備保持良好技術(shù)狀態(tài)，延長使用壽命。三級保養(yǎng)制度的內(nèi)容如下：①設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)。主要包括日常對液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、操縱傳動系統(tǒng)等部位進(jìn)行的維護(hù)保養(yǎng)。②一級保養(yǎng)。指以操作人員為主，維修人員為輔，按計(jì)劃對設(shè)備進(jìn)行局部拆卸和檢查。③二級保養(yǎng)。指設(shè)備操作人員協(xié)助維修人員對設(shè)備進(jìn)行部分解體檢查和修理，對磨損件進(jìn)行更換或修理。

5.3 提高設(shè)備操作與維護(hù)人員的素質(zhì)

隨著科技發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，礦山機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，技術(shù)水平越來越高，能實(shí)現(xiàn)更全面的選礦、采礦、探礦等功能，同時對技術(shù)人員在設(shè)備操作、維護(hù)和管理方面的能力和職業(yè)道德提出了更高的要求。企業(yè)要針對各種設(shè)備的特點(diǎn)和各個崗位的技術(shù)要求制定系統(tǒng)的培訓(xùn)計(jì)劃，邀請專家加強(qiáng)對相關(guān)人員的技能培訓(xùn)，使其熟悉設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作、保養(yǎng)流程，掌握設(shè)備故障診斷和維修方法。組織員工參加職業(yè)技能競賽，制定獎勵機(jī)制，鼓勵員工積極提高技能水平。結(jié)合案例開展安全生產(chǎn)培訓(xùn)，培養(yǎng)員工職業(yè)責(zé)任感和科學(xué)的管理意識。

6 小結(jié)

礦山機(jī)械設(shè)備由于工作環(huán)境惡劣、長期超負(fù)荷運(yùn)行、設(shè)計(jì)缺陷等原因?qū)е鹿收习l(fā)生，降低了設(shè)備生產(chǎn)效率，縮短了設(shè)備使用壽命，甚至造成安全事故。采用振動診斷技術(shù)、溫度診斷技術(shù)、油樣分析技術(shù)、無損檢測技術(shù)等手段進(jìn)行故障檢測，結(jié)合計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等技術(shù)，推動故障診斷技術(shù)向著信息化、智能化方向發(fā)展。要完善設(shè)備維修與保養(yǎng)制度，制定操作、維護(hù)、管理規(guī)程，實(shí)行監(jiān)督考評機(jī)制，實(shí)時監(jiān)控、動態(tài)管理。加強(qiáng)對相關(guān)人員的技能培訓(xùn)，提高其技術(shù)水平和職業(yè)責(zé)任感。