掘进机机电故障自动诊断系统的应用研究

胡兴龙

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司， 山西 怀仁 038300）

掘进机是一种集机电液于一体的大型机械设备，在工作过程中通过控制系统将控制信号传输到液压系统和机械系统，进而控制掘进机的运行，由于煤矿井下工作环境恶劣，掘进机长时间在超负荷工作的情况下极易出现机电系统故障，影响井下巷道的掘进作业。为了提高掘进机运行的可靠性，目前主要是通过对掘进机进行定期维护、停机检修的方式来实现，不仅效率低下，而且无法及时发现掘进机工作过程中的异常，一旦出现故障后只能人工根据经验逐个对故障进行排查，严重影响了井下巷道掘进的效率和经济性。

掘进机是一种集机电液于一体的大型机械设备，主要包括了电控部分、机械部分和液压部分，其在运行过程中的故障类别也主要分为电控故障、机械故障和液压故障，根据对掘进机故障类别的梳理，在运行过程中的故障主要是电控部分故障和液压部分故障，两种故障类型占据了掘进机整个故障类型的80%以上。为了有效的对掘进机运行故障进行判断，就需要采用故障树法，从底层开始，通过特定的逻辑算法对故障现象、故障原因、故障类别等进行分析，建立故障数据库，通过对掘进机运行时特定数据信号的监测，实现对掘进机运行故障的快速确定。掘进机结构如图1 所示。

图1 掘进机结构示意图

结合掘进机工作控制流程及故障诊断需求，本文所提出的掘进机故障诊断系统以ARM嵌入式控制为核心，以设备管理、数据管理、数据分析、显示报表为基础。通过对掘进机工作时的电流信号进行监测、分析、判断实现对机电系统运行情况的判断。通过进行数据管理实现对异常事件的记录，形成异常数据库，满足后续快速判断需求。通过报表显示系统和设备管理系统自动生成掘进机设备的维修保养计划表，根据分析结果将可能出现故障的零件和系统显示出来，指导设备维护人员进行针对性的维护保养，不仅能够有效降低维修保养时间，而且能够显著提升维护的有效性。该掘进机故障诊断系统的功能结构如图2 所示[1]。

图2 故障诊断系统功能结构示意图

故障诊断的核心在于数据分析系统，该系统通过各类传感器设备对掘进机运行过程中电流信号、振动信号等分析确定掘进机的运行状态。为了确保对掘进机运行状态监测的完整性，在对多种监测方案分析后，最终确定采用以ARM嵌入式控制系统为核心的监测系统，将传感器设备分别布置在掘进机驱动电机线路、掘进机构外壳、电机驱动轴等位置，满足对掘进机运行过程中振动、电流、速度、截割载荷等数据信息的全面监控，该监控单结构如图3 所示[2]。

图3 掘进机故障监测系统结构示意图

当系统监测到掘进机运行异常时，将自动把数据存储在报警库内，然后将异常信息进行分析和处理，确定故障原因和位置，系统通过存储大量的异常因素处理方案，形成一个完整的异常原因和处理方案库，能够实现对故障的快速识别和定位，有效提升掘进机异常处理的效率，提升井下巷道掘进效率和安全性。该系统结构简单、数据处理速度快、故障定位精确，对提升掘进机运行可靠性具有十分重要的意义。

掘进机电控部分故障是各类型故障中发生率最高的，占据了整个故障类型的45%以上。对掘进机机电系统的故障诊断，主要是通过对异常现象的分析，逐层进行排除，最终确定故障原因。为了满足掘进机工作稳定性的需求，要求故障诊断具有快速性和全面性，而且要能有效的识别出系统参数波动引起的误报警现象。因此在对多种故障诊断方法进行分析后，最终确定选用基于故障树原理的诊断方法。

故障树诊断法，首先要建立故障树库，对故障树内的故障判别逻辑、底层、中层、顶层事件进行分别定义，进而根据故障现象逐层的对故障因素进行分析判断，以定量分析的形式确定故障因素，保证故障诊断的快速性和准确性，该故障树建模流程如图4所示[3]。

图4 故障树建模流程示意图

当掘进机机电系统出现故障后，为了避免影响范围的进一步扩大，在故障诊断系统内加入了电气保护功能，根据故障监测的结果自动停止故障模块的运行，实现对故障的隔离。以对驱动电机的监测为例，系统以电流、电压等监测传感器为基础，对驱动电机的三相工作电流、电压进行连续监测，将监测结果实时传输给监测系统，对驱动电机的过载、过流、运行温度等关键参数进行判断，进而确定驱动电机是否存在故障，一旦判断有异常，系统将对电机参数进行补充延迟监测，若系统还是判断电机故障，则将启动电气保护，对继电器和接触器开关进行释放，触点断开，切断对驱动电机的电源供应，避免电机出现烧毁等重大事故[4]。

除了以上保护机制外，掘进机的电气保护还包括了漏电保护、闭锁保护、过热保护等[5]，从而确保掘进机机电系统在运行过程中的安全性。同时系统还具有智能扩展和自动输出维护计划的功能，根据对机电系统运行情况的监测，确定异常量偏移的频率，及时对高频率的异常波动进行报警，提醒维护人员及时跟进维护，不仅能够有效降低设备维护时间，而且能够显著提升维护的有效性。

以EBZ300 型悬臂式掘进机[6]为研究对象，对其进行改造，实现运行状态监测和故障自动诊断及保护功能，然后对其优化前后的运行状态进行监测。根据实际应用表明，新的故障诊断系统能够将故障定位速度由最初的12 min 降低到了目前的0.36 min，故障定位速度提升了97%。掘进机在运行中的停机故障由最初的11.2 次/月降低到了目前的2.3 次/月，将故障停机率降低86.4%，对提升掘进机的工作稳定性具有十分重要的意义。该故障诊断分析平台终端如图5所示。

图5 故障诊断平台显示界面

为了解决掘进机故障排查效率低下，严重影响巷道正常掘进作业的现状，本文提出了一种新的掘进机机电故障自动诊断系统，能够自动对机电系统运行情况进行监测、故障定位、故障报警，根据实际应用表明：

1）掘进机故障诊断系统以ARM嵌入式控制为核心，以设备管理、数据管理、数据分析、显示报表为基础，通过对掘进机工作时的电流信号进行监测、分析、判断实现对机电系统运行情况的判断，具有结构简单、稳定性好的优点。

2）基于故障树原理的诊断方法，能够根据故障现象逐层的对故障因素进行分析判断，以定量分析的形式确定故障因素，保证故障诊断的快速性和准确性。

3）系统具有漏电保护、闭锁保护、过热保护等，能够实现对故障的快速隔离，避免事故进一步扩大。

4）新的故障诊断系统能够将故障定位速度提升97%，将故障停机率降低86.4%，对提升掘进机的工作稳定性具有十分重要的意义。

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