苗 昀,張家蓉,盧 昊,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)(2.江蘇省礦山機(jī)電裝備高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

煤炭是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè),是我國能源安全的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”。2022年我國煤炭產(chǎn)量達(dá)41.3億t,占國內(nèi)能源消費(fèi)總量的56%。我國富煤、貧油、少氣的能源賦存特點(diǎn),決定了今后一段時(shí)期我國能源消費(fèi)仍需立足以煤為主的基本國情。大型礦井提升系統(tǒng)沿井筒提升煤炭、矸石,升降人員和設(shè)備,是井下生產(chǎn)系統(tǒng)與地面工業(yè)廣場相連接的樞紐。礦井提升系統(tǒng)主要由提升機(jī)、提升容器、提升鋼絲繩、天輪、裝卸載設(shè)備及電氣設(shè)備等組成。

隨著提升系統(tǒng)性能的不斷完善,鋼絲繩、卷筒裝置和提升容器等關(guān)鍵部件之間的耦合不斷加深,增加了提升系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性。以多繩摩擦式提升系統(tǒng)為例,在高速重載運(yùn)行過程中,重載提升導(dǎo)致卷筒平均應(yīng)力增大,主軸軸承退化引起的振動(dòng)將加劇卷筒應(yīng)力波動(dòng),極易發(fā)生卷筒疲勞開裂。由于多根鋼絲繩在安裝、纏繞速度、力學(xué)特性上的差異,張力自動(dòng)平衡系統(tǒng)的響應(yīng)不及時(shí),因此易導(dǎo)致大噸位提升容器高速運(yùn)行時(shí)發(fā)生傾斜、卡罐等重大事故。

故障診斷技術(shù)在礦山裝備領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用過程中,由于提升系統(tǒng)內(nèi)多設(shè)備協(xié)同工作,信號(hào)干擾極大,原始信號(hào)的信噪比很低,因此一般的檢測手段無法準(zhǔn)確評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。目前,通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、支持向量機(jī)(SVM)和聚類算法與其他機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ),已獲得較為貼合實(shí)際的故障診斷技術(shù)并投入使用。

利用合理的管控技術(shù)可有效提高提升系統(tǒng)運(yùn)行過程的可靠性。例如,提升機(jī)摩擦襯墊過度磨損與鋼絲繩張力不平衡之間是互相促進(jìn)的關(guān)系,兩者之間的惡性循環(huán)降低了提升機(jī)的運(yùn)行可靠性,通過合理的鋼絲繩張力調(diào)節(jié)技術(shù),不僅可以降低鋼絲繩的失效可能性,還可以延長摩擦襯墊的使用壽命。井深過大導(dǎo)致鋼絲繩的柔性特征明顯,在加速提升與緊急制動(dòng)過程中,合理控制礦井提升機(jī)轉(zhuǎn)速,可減輕鋼絲繩的振動(dòng)對提升系統(tǒng)的損害。制動(dòng)閘瓦的磨損退化與液壓制動(dòng)回路的控制失靈都會(huì)造成制動(dòng)失效。

為提高大型礦井提升系統(tǒng)的可靠性,保障大型礦井安全高效生產(chǎn),國內(nèi)外學(xué)者在提升系統(tǒng)關(guān)鍵部件可靠性、提升系統(tǒng)故障診斷和提升過程安全管控等方面進(jìn)行了大量研究。

1 礦井提升系統(tǒng)關(guān)鍵部件可靠性分析

礦井提升系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣,其關(guān)鍵部件承受著較多的隨機(jī)載荷,失效類型多樣且存在相關(guān)性。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析是以安全系數(shù)法為基礎(chǔ),將載荷以確定值進(jìn)行處理,造成提升機(jī)關(guān)鍵部件工作不可靠。礦井提升系統(tǒng)主要承載部件包括提升機(jī)卷筒裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、鋼絲繩等,國內(nèi)外學(xué)者已開展了礦井提升系統(tǒng)關(guān)鍵部件可靠性分析研究。

1.1 卷筒裝置可靠性分析

提升機(jī)卷筒是提升系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,承受著提升過程中全部的有效載荷。在長期的上提、下放作業(yè)過程中,卷筒結(jié)構(gòu)可能會(huì)萌生裂紋進(jìn)而發(fā)生疲勞破壞,導(dǎo)致滾筒局部開裂、局部塌陷、開焊或連接螺栓剪斷等故障。作為提升機(jī)主軸系統(tǒng)的重要零部件,主軸承不僅關(guān)系到系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn),還關(guān)系到提升機(jī)的安全性能。疲勞失效與磨損失效是主軸承最主要的失效形式,安裝與拆卸不當(dāng)、缺少潤滑和保養(yǎng)、承受脈動(dòng)循環(huán)載荷等,都會(huì)增大主軸承的退化速度。目前,在傳統(tǒng)可靠性壽命分析方法的基礎(chǔ)上,針對提升機(jī)零部件的失效分析正逐漸朝著實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性的方向發(fā)展。

汪飛等[1]通過建立提升機(jī)大型卷筒的有限元模型,進(jìn)行了卷筒的載荷分析和疲勞壽命分析,針對原卷筒結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象,提出了卷筒局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施,改善了其壽命情況;胡捷等[2]為研究人孔形狀與數(shù)量對卷筒應(yīng)力與人孔周邊的影響,采用HyperWorks平臺(tái)對提升機(jī)卷筒人孔的布置和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化分析,優(yōu)化后的最大應(yīng)力值減少了40%,有效防止了人孔開裂;王剛等[3]針對超千米深井多層纏繞式提升機(jī)卷筒的設(shè)計(jì)要求,通過建立提升卷筒的結(jié)構(gòu)負(fù)荷模型和基于動(dòng)力學(xué)模型的滿載及空載情況下的卷筒性能分析,結(jié)合累計(jì)損傷理論,得到了卷筒結(jié)構(gòu)在不同負(fù)載下的疲勞壽命,為礦井提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論支持;任馮斌等[4]利用可靠性功能函數(shù)的前三階矩和基于矩的鞍點(diǎn)逼近方法,計(jì)算得到卷筒裝置的失效概率,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì),得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù);張戈等[5]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn),將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于提升機(jī)參數(shù)的預(yù)測,以此評價(jià)提升機(jī)的工況好壞;王海峰等[6]采用Gamma過程描述主軸系統(tǒng)各零部件的退化過程并使用混合Copula函數(shù)建立主軸系統(tǒng)及零件的失效相關(guān)性數(shù)學(xué)模型,能夠準(zhǔn)確地預(yù)測工程實(shí)際中的主軸系統(tǒng)退化;盧昊等[7]在進(jìn)行礦井提升機(jī)主軸承有限元分析的基礎(chǔ)上,通過拉丁超立方抽樣和Kriging代理模型實(shí)現(xiàn)對軸承振動(dòng)磨損不確定性的量化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)磨損的時(shí)變可靠性評估,表明振動(dòng)磨損增大了軸承的磨損退化率。

1.2 制動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析

制動(dòng)系統(tǒng)是提升機(jī)安全運(yùn)行的保障,在單次升降作業(yè)完成后或斷電、安全裝置干預(yù)等情況下,制動(dòng)系統(tǒng)都會(huì)工作。制動(dòng)系統(tǒng)由盤式制動(dòng)器及液壓系統(tǒng)構(gòu)成,液壓系統(tǒng)控制碟形彈簧的伸縮,進(jìn)而控制閘瓦運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閘瓦貼上制動(dòng)盤時(shí),彈簧產(chǎn)生的正壓力使制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài),當(dāng)閘瓦與制動(dòng)盤分離時(shí),制動(dòng)器處于松閘狀態(tài)。

余洪偉等[8]通過系統(tǒng)故障樹模型闡述了制動(dòng)系統(tǒng)失效的主要影響因素,分別計(jì)算了子系統(tǒng)中盤型制動(dòng)器壓力彈簧的可靠性指標(biāo),通過可靠性數(shù)據(jù)制定了合理的維修方式和維修計(jì)劃;閻雨薇[9]首先通過建立制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性框圖說明各分系統(tǒng)功能之間的傳遞情況,然后對盤式制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性因素進(jìn)行仿真分析,得出了環(huán)境因素和閘數(shù)對制動(dòng)系統(tǒng)可靠度的影響;王凱等[10]針對礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析模糊性和不確定性的問題,將模糊理論與多態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,根據(jù)各根節(jié)點(diǎn)的定量重要度分析確定制動(dòng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),為故障檢測與維修提供了理論依據(jù)。

任馮斌等[11]在建立制動(dòng)盤-閘瓦摩擦副有限元模型的基礎(chǔ)上,使用Kriging模型擬合函數(shù)關(guān)系,運(yùn)用鞍點(diǎn)逼近方法得到緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器閘瓦的失效概率;王敏等[12]考慮了液壓站和制動(dòng)器的相關(guān)故障模式,利用故障間隔時(shí)間數(shù)據(jù),建立了基于威布爾模型的可靠度函數(shù)模型。

有些研究從故障樹角度定量分析了某一因素對制動(dòng)系統(tǒng)性能影響的顯著度。李曼等[13]通過模糊故障樹的建立和對失效事件的重要度分析,定量得出了影響提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)安全性的最主要因素和其重要度;喬紅兵等[14]建立了綜合應(yīng)用故障樹分析法(FTA)、層次分析法(AHP)、模糊綜合評判法的軟件系統(tǒng),確保及時(shí)明確制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并做出合理決策;任中全等[15]針對一般可靠性分析數(shù)據(jù)量不足的問題,運(yùn)用評分預(yù)計(jì)法估計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性,該方法可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)閘系統(tǒng)的定量分析;周廣林等[16]針對提升機(jī)盤式制動(dòng)系統(tǒng)的冗余性和隨機(jī)性,運(yùn)用模糊動(dòng)態(tài)故障樹建立了融合靜態(tài)模塊和動(dòng)態(tài)模塊的定量分析理論,結(jié)合馬爾可夫理論有效確定了液壓站的高故障率部位。

王剛等[17]在盤型制動(dòng)器控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了多繩纏繞式盤型閘制動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電液聯(lián)合仿真,確認(rèn)了在特定運(yùn)行參數(shù)條件下恒減速制動(dòng)方式的優(yōu)越性。

1.3 鋼絲繩可靠性分析

鋼絲繩作為礦井提升系統(tǒng)中連接井上和井下的紐帶,其安全性在礦井運(yùn)輸中起著至關(guān)重要的作用。常見的鋼絲繩失效形式有:由材料性能、循環(huán)載荷或環(huán)境因素產(chǎn)生的微動(dòng)磨損;由鋼絲繩振動(dòng)、交變載荷等因素產(chǎn)生的疲勞失效;由礦井復(fù)雜條件導(dǎo)致的腐蝕。目前,針對鋼絲繩疲勞壽命與磨損的研究,大多通過試驗(yàn)和仿真等手段分析鋼絲繩的磨損與疲勞特性,除此之外,無損檢測技術(shù)和故障樹診斷等方法也有一定的應(yīng)用。

常向東等[18]通過鋼絲繩-滑輪摩擦磨損試驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn),探究了鋼絲繩和滑輪的摩擦特性、表面磨損機(jī)理和力學(xué)性能退化特性,為鋼絲繩安全檢測和可靠性研究提供了數(shù)據(jù)支撐;陳原培等[19]聚焦于鋼絲繩內(nèi)部的絲間接觸作用,通過建立單股鋼絲繩的有限元網(wǎng)絡(luò)模型和相互接觸以及疲勞壽命模型,得出單股鋼絲繩的疲勞壽命分布和應(yīng)力分布特性,討論了模型參數(shù)對其疲勞特性的影響;張俊等[20]提出了基于微動(dòng)磨損理論的理論模型,綜合考慮了提升鋼絲繩動(dòng)張力、內(nèi)部鋼絲拉力、相對滑移量等指標(biāo)的相關(guān)模型,并預(yù)測了鋼絲繩動(dòng)態(tài)安全承載系數(shù)和安全壽命;盧如意等[21]為有效延長鋼絲繩使用壽命,一方面優(yōu)化其加工工藝,另一方面借助扭轉(zhuǎn)力自助平衡連接器消除橫向剪切力,通過改善鋼絲繩受力情況提高了其可靠性和使用壽命;李婷等[22]將基于CAD-CAE協(xié)同仿真平臺(tái)Workbench的虛擬疲勞試驗(yàn)技術(shù)用于鋼絲繩疲勞壽命分析,指出疲勞失效點(diǎn)的位置,得到疲勞壽命與疲勞載荷比例和比例因子的關(guān)系曲線并預(yù)測了鋼絲繩的疲勞壽命;劉雷等[23]通過建立基于無損檢測技術(shù)的鋼絲繩剩余強(qiáng)度和壽命預(yù)測系統(tǒng),進(jìn)行了鋼絲繩局部缺陷檢測實(shí)驗(yàn),并與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果相比,得到了良好的預(yù)測效果;賈社民等[24]通過分析鋼絲繩使用過程中的安全問題,提出不能僅僅依靠鋼絲繩更換與無損檢測技術(shù)來保證鋼絲繩的使用壽命,更重要的是對其壽命的科學(xué)評估和建立安全維護(hù)及監(jiān)測方面的標(biāo)準(zhǔn),以及科學(xué)合理的更換制度;寇少凱等[25]在深井提升鋼絲繩故障類型分析的基礎(chǔ)上,通過故障樹分析方法定性并定量地得出了鋼絲繩扭轉(zhuǎn)是導(dǎo)致深井鋼絲繩故障的主要因素,建立了深井提升鋼絲繩可靠度仿真模型,得出了其可靠度及失效概率密度變化曲線。

2 礦井提升系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)是一種利用多學(xué)科技術(shù)交叉方式識(shí)別機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的綜合性技術(shù),主要涉及故障理論、傳感檢測、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域。其研究目的是及早發(fā)現(xiàn)機(jī)器故障情況,通過合理的維修手段減少或消除事故的發(fā)生。對于礦井提升裝備,故障診斷技術(shù)主要涉及信號(hào)處理與特征提取、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能診斷和多方法混合的融合診斷3個(gè)層面。

通過合理的信號(hào)處理與特征提取技術(shù),可基于豐富的行業(yè)先驗(yàn)知識(shí)準(zhǔn)確判斷故障位置、故障類型和嚴(yán)重程度。同時(shí),隨著設(shè)備載荷的增大與自動(dòng)化程度的提高,提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜,為了獲得更加準(zhǔn)確的診斷結(jié)果,基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能診斷技術(shù)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工判斷。為了進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)算法的性能,多種技術(shù)交叉的融合診斷技術(shù)也獲得了較大發(fā)展并投入礦井實(shí)際應(yīng)用。

2.1 信號(hào)處理與特征提取技術(shù)

運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備會(huì)產(chǎn)生具有規(guī)律性和周期性的振動(dòng)信號(hào),不同的故障所對應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)具有不同的特征。礦山機(jī)械裝備的故障信號(hào)呈非線性并有強(qiáng)烈的噪聲,故障特征在時(shí)域和頻域上均有體現(xiàn),因此在礦井提升裝備故障診斷領(lǐng)域,一般通過時(shí)域分析與頻域分析相結(jié)合的方法提取信號(hào)故障特征。

張家良等[26]提出了一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的非線性頻譜特征提取方法,結(jié)合基于最小二乘支持向量機(jī)的故障分類器,開展了提升機(jī)制動(dòng)器的故障診斷實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了一種變步長最小均方自適應(yīng)算法,該算法基于輸出偏差動(dòng)態(tài)調(diào)整頻譜特征的計(jì)算步長,保證了故障診斷的實(shí)時(shí)性。

Yang等[27]提出了一種強(qiáng)噪聲背景下弱故障特征提取方案,用最小反褶積和改進(jìn)的完全集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法處理信號(hào),通過互信息和樣本熵的方法避免了內(nèi)模函數(shù)(IMF)選擇的盲目性,并在地面開展了提升機(jī)天輪軸承的相似實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)方案,該混合方案可更加有效地剔除噪聲信號(hào),并得到大部分的故障特征。

冷軍發(fā)等[28]提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)與Teager-Kaiser能量算子(TKEO)解調(diào)相結(jié)合的故障診斷方法,針對某型號(hào)礦井提升機(jī)齒輪箱進(jìn)行了故障診斷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可有效診斷出齒輪的點(diǎn)蝕故障,但更加適用于故障嚴(yán)重時(shí)齒輪箱的分析診斷。

石瑞敏等[29]針對經(jīng)典EMD方法使用中的模態(tài)混疊的端點(diǎn)效應(yīng)問題,提出了一種基于改進(jìn)EMD的多繩摩擦提升機(jī)載荷信息特征提取方法。當(dāng)提升機(jī)載荷不斷增加時(shí),探究了各階IMF的能量、方差貢獻(xiàn)率、能量矩等特征值的變化規(guī)律。

劉小平等[30]提出了基于Hilbert-Huang變換(HHT)、數(shù)據(jù)依賴核獨(dú)立分量分析(DDKICA)和支持矢量數(shù)據(jù)描述(SVDD)相結(jié)合的提升機(jī)故障監(jiān)控方法,解決了包含多個(gè)非線性源振動(dòng)信號(hào)成分IMF的選擇問題,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出方案的故障診斷準(zhǔn)確性,并基于實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)樣本,揭示了傳統(tǒng)核主元分析的虛警原因。

2.2 智能診斷方法

人工智能算法僅需歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)即可完成復(fù)雜機(jī)電設(shè)備的故障診斷工作。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷進(jìn)步,基于數(shù)據(jù)的故障診斷方法研究在礦井提升裝備領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)展。主要方法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、支持向量機(jī)(SVM)和聚類算法等。

ANN主要用于訓(xùn)練樣本較多且非線性較強(qiáng)的情況。王正友等[31]以訓(xùn)練后的BP網(wǎng)絡(luò)作為貝葉斯后驗(yàn)概率估計(jì)器,建立了提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)卡缸故障判斷模型;王致杰等[32]基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反向傳播算法,對礦井提升機(jī)多個(gè)關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行時(shí)間序列預(yù)測;雷勇濤等[33]利用自組織特征映射(SOM)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別制動(dòng)系統(tǒng)故障狀態(tài),并比較了3種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對提升機(jī)液壓站的故障診斷效果。

SVM對小樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)的故障診斷準(zhǔn)確率更高。郭小薈等[34]基于小波分解提取出的特征向量建立SVM故障分類器,實(shí)現(xiàn)了小樣本下的提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷;董黎芳等[35]針對提升機(jī)多類故障診斷問題,比較了支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類精度,結(jié)果表明“一對多”的支持向量機(jī)故障診斷準(zhǔn)確率最高;Jiang等[36]提出了一種基于變模態(tài)分解和支持向量機(jī)的礦井提升機(jī)振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測方法,通過分析提升機(jī)主軸的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測提升負(fù)荷。

聚類算法作為一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,更加貼合實(shí)際生產(chǎn)過程中無標(biāo)簽數(shù)據(jù)構(gòu)成的訓(xùn)練樣本。董磊等[37]提出了一種基于廣義Ward距離的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)聚類算法,結(jié)合局域均值分解法(LMD)判斷提升機(jī)主軸故障狀態(tài)并驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性;仵坤等[38]基于濾波后的圖像信息,利用自動(dòng)糾偏算法和層次聚類算法,監(jiān)測提升機(jī)卷筒排繩層間跳變狀態(tài);Shi等[39]根據(jù)繩索排列的投影圖像,利用基于密度的噪聲應(yīng)用空間聚類(DBSCAN)方法,檢驗(yàn)超深井提升機(jī)排繩狀態(tài)。

2.3 融合診斷方法

各種機(jī)器學(xué)習(xí)算法在故障診斷領(lǐng)域具有不同的技術(shù)特征,為了充分發(fā)揮不同技術(shù)的優(yōu)勢,貼合礦井提升裝備的實(shí)際運(yùn)行狀況,國內(nèi)外學(xué)者們從提高故障診斷準(zhǔn)確性和減少訓(xùn)練樣本量等方面入手,基于融合思想改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

為了提高小樣本下卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對提升機(jī)主軸軸承故障診斷的準(zhǔn)確率,Gu等[40]利用支持向量機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Softmax函數(shù)用于最終判斷,并基于該改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型探究了不同卷積層配置方案對故障診斷準(zhǔn)確率的影響。

為減小深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)量,充分利用其強(qiáng)大的特征提取能力,張義清等[41]提出了一種基于遷移學(xué)習(xí)的鋼絲繩斷絲定量識(shí)別方法,通過對預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)遷移和參數(shù)微調(diào)獲得所需的目標(biāo)模型。選取6類鋼絲繩內(nèi)外部斷絲情況,利用連續(xù)小波變換得到漏磁信號(hào)的時(shí)頻圖,將其作為目標(biāo)模型的輸入,最終得到分類準(zhǔn)確率達(dá)到97.2%的目標(biāo)模型。

吳傳龍等[42]針對單一特征提取方法難以獲得礦山設(shè)備故障特征的情況,提出了一種基于統(tǒng)計(jì)特征與深度特征融合的提升機(jī)逆變器故障診斷方法。對于實(shí)測的逆變器輸出電流信號(hào),利用HHT提取故障統(tǒng)計(jì)特征,采用壓縮激勵(lì)密集連接卷積網(wǎng)絡(luò)(SE-DenseNet)提取深度特征,進(jìn)而利用局部線性判別分析(LFDA)得到統(tǒng)計(jì)特征和深度特征的低維融合特征。逆變器中單個(gè)IGBT開路故障診斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相較原有的單一特征提取方法,該方法得到的低維融合特征比單一特征的故障表征能力更強(qiáng),有效提高了故障識(shí)別準(zhǔn)確率。

汪磊等[43]利用螢火蟲算法優(yōu)化卷積-長短期記憶(CNN-LSTM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),提出一種基于音頻峭度的煤礦旋轉(zhuǎn)機(jī)械滾動(dòng)軸承故障預(yù)測方法,通過分析礦井提升機(jī)及其他多種礦山設(shè)備滾動(dòng)軸承的實(shí)測振動(dòng)信號(hào),驗(yàn)證了該方法預(yù)測早期故障的準(zhǔn)確性。

李娟莉等[44]提出了一種基于三層信息融合的提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷方法。首先利用主成分分析法(PCA)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降維去噪,得到機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集;然后通過具有記憶功能的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合故障特征信息;最后以DS證據(jù)理論充當(dāng)最終判據(jù),判斷系統(tǒng)故障狀態(tài)。

提升裝備故障監(jiān)測技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)清除安全隱患。李騰宇等[45]以提升系統(tǒng)的關(guān)鍵承載部件為監(jiān)測對象,充分考慮煤礦環(huán)境,搭建了模塊化的超千米深井提升機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng),完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對高速運(yùn)動(dòng)的天輪和鋼絲繩上傳感器安裝困難的情況,利用機(jī)器視覺方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的檢測診斷;利用基于MED-EEMD的方法監(jiān)測提升機(jī)軸承的微弱故障特征,試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可有效提取軸承外圈的故障信號(hào)。

Xu等[46]提出了一種將鋼絲繩張力測量轉(zhuǎn)換為壓力測量的鋼絲繩監(jiān)測方法,解決了拉力傳感器與鋼絲繩串聯(lián)的安全隱患;設(shè)計(jì)了一種聲濾波傳感器,比較了振動(dòng)與沖擊下其與普通傳感器測量結(jié)果的準(zhǔn)確性;提出了一種新型的多繩摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測裝置,實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩張力的實(shí)時(shí)測量,有效監(jiān)測鋼絲繩的張力不平衡故障。

3 礦井提升系統(tǒng)智能管控技術(shù)

提升系統(tǒng)零部件多、分布離散、耦聯(lián)關(guān)系復(fù)雜,監(jiān)測參量拾取碎片化,且有線方式難以用于井筒中進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。研發(fā)安全可靠的智能化管控技術(shù)是保障礦井提升系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效途徑。礦井提升系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要用于提升機(jī)的主令操作控制和保護(hù)監(jiān)視,其中主令操作控制主要用于提升機(jī)的啟動(dòng)、爬坡、制動(dòng),保護(hù)監(jiān)視用于鋼絲繩滑繩、過卷以及制動(dòng)力過載等安全監(jiān)測。

3.1 提升機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

礦井提升機(jī)在沿井筒提升物料、運(yùn)輸人員時(shí),主要通過控制直流或交流電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)升、降。提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)頻繁地正、反轉(zhuǎn)決定了其需要電控系統(tǒng)與其他機(jī)械系統(tǒng)緊密配合,從而提高提升機(jī)的運(yùn)輸效率和運(yùn)行安全性。在現(xiàn)有的控制技術(shù)中,可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)廣泛應(yīng)用于對提升機(jī)的速度控制,通過對煤礦提升機(jī)在運(yùn)行過程中的各種信號(hào)進(jìn)行分析與處理,進(jìn)而進(jìn)行判斷與控制。

鄔建斌[47]基于變頻技術(shù)和PLC控制技術(shù),設(shè)計(jì)了一套提升機(jī)智能控制系統(tǒng),把PLC智能控制系統(tǒng)植入副斜井提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了礦井的平滑變速,減小了加速度突變導(dǎo)致的鋼絲繩拉力突變,降低了斷繩事故的發(fā)生率;徐文濤[48]利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID的算法對提升機(jī)卷筒速度進(jìn)行自適應(yīng)跟蹤控制,實(shí)現(xiàn)了提升功能的安全轉(zhuǎn)換;李子武[49]詳細(xì)介紹了提升機(jī)的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理,并將PLC技術(shù)運(yùn)用于控制保護(hù)系統(tǒng);康曉光[50]提出了液壓提升機(jī)的機(jī)電液一體化控制系統(tǒng),并提出了機(jī)電液伺服系統(tǒng)模糊控制方法,實(shí)現(xiàn)了對隨機(jī)干擾的有效控制。

莊吉慶[51]有機(jī)結(jié)合了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)提升和直線電機(jī)推進(jìn)兩種驅(qū)動(dòng)技術(shù),提出了一種直線電機(jī)與鋼絲繩復(fù)合提升的新型解決方案,并研究了兩種提升裝置的協(xié)同控制策略,可在相同條件下增加載煤量;武波[52]利用仿真軟件ADAMS對礦井提升機(jī)的恒減速電液控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬,介紹了其軟硬件組成并驗(yàn)證了其有效性;莊吉慶等[53]針對千米深井特大型箕斗鋼絲繩磨損量大、系統(tǒng)安全性低的問題,提出了一種主從控制和并行控制相結(jié)合的控制方法,并進(jìn)行了多種運(yùn)行條件下的提升系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證其協(xié)同驅(qū)動(dòng)控制策略的有效性。為提高提升機(jī)控制系統(tǒng)的智能化水平,Qu等[54]提出了提升機(jī)繼電控制系統(tǒng)的PLC和計(jì)算機(jī)雙控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)繼電控制的技術(shù)改進(jìn)。

為提高提升機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中對傳感器故障的容錯(cuò)性,讓提升機(jī)在傳感器發(fā)生故障時(shí)也能安全運(yùn)行,Dai等[55]設(shè)計(jì)了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集成傳感器容錯(cuò)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的公差控制。

3.2 提升機(jī)制動(dòng)控制技術(shù)

礦井提升機(jī)制動(dòng)主要分為安全制動(dòng)和工作制動(dòng)。提升機(jī)在進(jìn)行一次提升工作后進(jìn)行的制動(dòng)為工作制動(dòng),而安全制動(dòng)又稱為緊急制動(dòng),只發(fā)生在設(shè)備發(fā)生故障、人員面臨危險(xiǎn)的情況下。當(dāng)采用恒力矩制動(dòng)方式制動(dòng)時(shí),由于缺乏反饋機(jī)制,很容易出現(xiàn)因制動(dòng)力過大而導(dǎo)致的斷繩、制動(dòng)軸瓦斷裂等事故,因此應(yīng)采用含有內(nèi)部反饋機(jī)制的恒減速制動(dòng)方式制動(dòng),此時(shí)控制系統(tǒng)通過檢測滾筒速度來調(diào)節(jié)制動(dòng)器的減速度,可有效提升制動(dòng)性能。

在提升機(jī)制動(dòng)技術(shù)算法領(lǐng)域,不少學(xué)者在原有PID算法的基礎(chǔ)上,提出了改進(jìn)的制動(dòng)控制算法。李明航等[56]針對原有傳統(tǒng)控制算法傳遞函數(shù)不夠精確的問題,采用了模糊自適應(yīng)PID算法,設(shè)計(jì)了一種可靠性高的恒減速制動(dòng)控制器,該控制器響應(yīng)迅速,穩(wěn)態(tài)誤差小,可適應(yīng)提升機(jī)復(fù)雜工況下的制動(dòng)需求;王利棟等[57]提出了一種將模糊PID控制與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相融合的提升機(jī)恒減速控制方法,該方法將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于更新控制算法中的參數(shù),結(jié)果顯示該方法的減速度超調(diào)量更小、穩(wěn)態(tài)精度更高;王邵博[58]在協(xié)同制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了提升系統(tǒng)制動(dòng)PID控制器及反步控制器,通過仿真分析驗(yàn)證了該控制方式的優(yōu)越性;鄧世建等[59]在提升機(jī)制動(dòng)反饋系統(tǒng)中引入了單極性偏差控制算法,將控制目標(biāo)由無差變?yōu)橛胁?提高了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)依靠單一的液壓站提供制動(dòng)力矩,針對液壓動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)可提高制動(dòng)效率和靈敏度。Yu等[60]設(shè)計(jì)的礦井提升機(jī)自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)不同的制動(dòng)階段調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩,該控制策略能提高制動(dòng)性能并降低斷繩風(fēng)險(xiǎn);郭鑫等[61]通過對比例溢流閥開口狀態(tài)的精確調(diào)整實(shí)現(xiàn)了對制動(dòng)閘瓦制動(dòng)力的調(diào)整,通過閉環(huán)反饋控制比例溢流閥模塊,實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的柔性制動(dòng);付志明[62]針對現(xiàn)有恒減速液壓站設(shè)計(jì)的不足,設(shè)計(jì)了多通道恒減速液壓控制系統(tǒng),使得總制動(dòng)效益不受單一制動(dòng)通道失效的影響;杜曉月[63]將嵌入式制動(dòng)電控系統(tǒng)應(yīng)用于恒力矩-恒減速切換的液壓轉(zhuǎn)換裝置,解決了傳統(tǒng)PID控制器時(shí)效性差、可靠性差的問題。為進(jìn)一步保證制動(dòng)的系統(tǒng)安全性,Qiao等[64]設(shè)計(jì)了基于故障樹分析和西門子PLC控制的礦井提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng),提供了制動(dòng)系統(tǒng)的在線監(jiān)測功能。

3.3 鋼絲繩安全運(yùn)行控制技術(shù)

目前,我國廣泛使用的礦井提升裝備主要為單繩纏繞式礦井提升機(jī)和多繩摩擦式礦井提升機(jī),除此之外還有雙繩纏繞深井提升機(jī),該提升機(jī)可解決單繩纏繞式提升機(jī)提升距離短與多繩摩擦式提升機(jī)提升能力弱的問題。近年來,提升機(jī)運(yùn)行過程中鋼絲繩的失效問題得到了廣泛研究,當(dāng)鋼絲繩之間摩擦力減小、鋼絲繩與滾輪摩擦墊發(fā)生相對滑動(dòng)時(shí),極易發(fā)生滑繩事故;當(dāng)制動(dòng)力超標(biāo)、調(diào)繩作業(yè)頻繁時(shí),易出現(xiàn)鋼絲繩壽命降低或斷繩事故等;當(dāng)鋼絲繩安裝位置偏差、彈性伸長不一致時(shí),易出現(xiàn)多條鋼絲繩張力不平衡的問題;當(dāng)鋼絲繩運(yùn)載距離過長、鋼絲繩材質(zhì)柔性特性明顯時(shí),造成的振動(dòng)易加劇磨損。針對以上問題,國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列監(jiān)控保護(hù)控制措施。

倪飛[65]針對摩擦式提升機(jī)的滑繩溜車事故,設(shè)計(jì)了一套提升機(jī)滑繩保護(hù)系統(tǒng),由模糊控制程序和滑繩保護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)雙閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化,其中主程序用于滑繩保護(hù),輔助回路利用模糊控制程序通過徑向壓力反饋,提供制動(dòng)力矩;徐龍?jiān)鯷66]針對以往摩擦提升機(jī)防滑裝置開環(huán)控制出現(xiàn)的滯后、動(dòng)態(tài)特性差的問題,提出了模糊自整定PID控制器,有效解決了鋼絲繩的滑動(dòng),該控制器調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快,易于在PLC中實(shí)現(xiàn)。

劉廣達(dá)等[67]為解決雙繩纏繞式深井提升系統(tǒng)兩鋼絲繩張力不平衡的問題,在分析兩繩張力差機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出了張力調(diào)節(jié)的反步控制策略,有效地減小了鋼絲繩張力差;臧萬順[68]針對以往張力主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生故障后閉環(huán)控制性能下降的問題,設(shè)計(jì)了張力主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制方法,并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了在執(zhí)行器泄漏和張力傳感器故障情況下的控制方法。

朱真才等[69]采用自適應(yīng)魯棒理論設(shè)計(jì)了提升鋼絲繩縱向振動(dòng)抑制邊界控制策略,在建立動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,通過仿真對比驗(yàn)證了該系統(tǒng)的振動(dòng)補(bǔ)償和快速收斂性;宋字宇[70]通過外設(shè)控制器消耗提升機(jī)鋼絲繩縱向振動(dòng)的能量,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制器的去振效果。

針對目前提升機(jī)過卷保護(hù)系統(tǒng)制動(dòng)力小、可靠性差的問題,陸元杰[71]設(shè)計(jì)了永磁-鋼帶混合式過卷保護(hù)系統(tǒng),這種混合布置策略縮短了制動(dòng)距離,且不增加鋼絲繩的磨損。

4 結(jié)束語

本文全面深入地分析了大型礦井提升系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展,從提升系統(tǒng)關(guān)鍵部件可靠性分析、提升系統(tǒng)故障診斷和提升過程安全管控3個(gè)方面論述了該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。隨著我國淺部煤炭資源日益枯竭,煤炭開采逐步向著大型化、深部化方向發(fā)展,提升系統(tǒng)面臨著更加復(fù)雜惡劣的工況、環(huán)境,因此未來需要更多的研究人員投身到超深井高速、重載提升系統(tǒng)的可靠性研究領(lǐng)域。