设备健康管理系统在大型露天煤矿的应用探究

李永强

（神华新疆吉木萨尔能源有限责任公司，新疆昌吉831700）

0 引言

露天煤矿气候条件复杂，大型机械设备较多，随着设备使用年限不断增加，故障频发，给煤矿安全生产及检修带来了较大的问题。结合露天煤矿现场的实际情况，经过详细研究，决定采用设备健康管理系统替代传统维护手段。

设备健康管理系统整合了现代传感器技术、无线通讯技术、物联网技术、云计算等多项前沿科技，为煤矿机械设备实现智能监控，实时采集设备运行数据，并对传动系统故障进行大数据分析，从而监测设备的健康状态，发现设备的早期故障，预判关键零部件的残余寿命等。基于上述原因，设备健康管理系统的应用势在必行。

1 系统特点

（1）矿用采集站采用ARM+DSP双核嵌入式系统，内置数据处理算法可以实时完成特征值的计算和传输。16通道2模拟量，最高采样频率200 kHz，8通道同步采样，支持以太网、光纤、WiFi、联通3G（WCDMA制式），工作温度：40～70 ℃。

（2）远程系统（图1）包括：

1）数据采集层：设备表面安装振动无线加速传感器，传感器通过M6转接柱与磁座连接，通过专用金属胶水将磁座与设备表面粘结。

2）应用层：当设备出现异常时，系统会自动触发报警并通过短信、邮件等方式通知现场管理人员，系统根据报警信息对设备状态进行专业分析，若设备出现损伤需要检修维护，远程诊断会提供专业诊断报告，为现场检修提供依据。

3）展示层：采集单元获取齿轮箱的振动数据后，将数据通过网络传输至厂内大屏、PC端、手机APP。

图1 远程系统构架

（3）设备健康管理系统涉及设备全面，包括电机、减速器、各类轴承等大型机械，可诊断多种日常生产作业中常出现的机械故障，如：润滑油是否污染、齿轮咬合故障、叶片故障、定子故障、不平衡、不对中等问题（图2）。

图2 涉及领域

2 系统基本组成

设备健康管理系统基本组成包括：采集站、传感器、辅助硬件、软件系统等。各设备的特点如下：

采集站分为有线采集站和无线采集站两种（图3），有线采集站智能模块针对旋转设备的特点，为设备的健康管理和故障诊断的信号而专门设计，具备8路振动、8路温度、4路工艺量和2路转速量等通道，可同时采集并检测旋转设备的多种信号；无线采集站针对现场测点较为分散、传统在线系统线敷设不便而设计，安装方便、快捷。

图3 采集站

传感器分有线传感器单元及无线监测单元（图4），有线传感器单元低频、高敏度，内置IEPE电路，隔离输出，激光密封焊接采用军用连接器，可用于环境恶劣的工业现场监测；无线监测单元是一种非常牢固、可靠的仪器，集传感器、数据采集、数据传输于一体，不仅可以传输静态数据（总值），还可传输动态数据（频谱）至专业的分析软件，使用Zigbee无线通讯协议，该协议简单、可靠，为机泵群、风机群等关键设备提供了一种全新的监测方式。

辅助硬件包括矿用本安电源、基站、无线CPE、服务器、网络交换机。矿用电源输出功率50 W，EMC性能；无线基站纯净5 GHz频段，传输距离达50 km，300M无线可外接不同类型天线，满足多种传输要求；无线CPE，300 Mbps无线，内置高增益双极化天线，提供高性能无线。

在线监测软件系统（图5），只需安装在企业服务器上，客户即可通过游览器和客户端程序访问。系统采用SQL server数据库，该系统软件具有以下特点：

（1）数据保存方式灵活，采集的在线数据可以选择使用同一个数据库，也可配置多个在线历史数据存储的数据库服务器。

（2）兼容各类在线监测站产品，可以进行各类在线监测站的添加、编辑与通道对应测点的配置，设置每台监测站的数据自动采集时间间隔和数据保存策略。

（3）通过网络关系自动上传采集数据，采集数据棒图和总值趋势图动态实时显示。对当前监控的设备进行数据实时上传，软件自动监控、报警，同时技术人员对报警信息进行实时处理，软件实时性很高，能够保证对设备状态的实时监测。

（4）支持设备自诊断异常统计功能。

（5）支持监测指标的报警设置，根据现场实际情况，设置报警的不同等级，达到不同报警等级，显示不同的颜色，提醒用户设备异常。

（6）提供丰富的数据分析功能，20余种分析工具，如时域波形、频谱分析、阶次分析、多时域波形、多频谱分析、极坐标图分析、瀑布图分析等；同时具有独特的设备参与寿命预测算法，能够对设备的参与寿命进行较为准确的预测。

图4 传感器

图5 软件系统

3 系统对于矿山机械设备的应用价值

通过对设备健康管理系统的基本组成及特点进行分析研究，可以确认该系统在未来矿山机械设备中的应用是很有必要的。

（1）设备智能互联。该系统可以针对设备易磨易损部件进行实时监控、诊断、分析、自动数据采集，并通过网络传输至远程监控中心，能够定位故障点和预测故障发生的时间，监视有害发展趋势，分析故障根源等，从而有效减少维护停机时间，提高生产效率。

（2）使用该系统可使煤矿企业真正实现设备维护成本最低、人员劳动强度最低，能够大幅降低设备管理的难度，确保现场维修人员的工作环境更加安全可靠。

（3）该系统应用于大型矿山可以有效降低设备维修的盲目性，保障设备在生产过程中安全运行，减少机电事故的发生。

4 设备健康管理系统在露天煤矿机电设备中的应用效果

胶带输送机和破碎机作为大型露天煤矿的主要机电设备，承担着煤矿生产及运输的重任，其重要性不言而喻，很多煤矿也把日常检修的重点放在了这些设备上，因此加强对这些设备的监控及管理是非常必要的。本文以胶带输送机和破碎机为主要研究对象，探讨设备健康管理系统应用于大型露天煤矿主要设备的实际效果。

（1）某露天煤矿选煤厂主运输胶带启机后，减速箱各个测点速度总值均出现上升，通过检测画面（画面显示的数据如表1所示）可以看到，以高速轴5H、输出轴7V和输出轴8H三个径向测点最为显著，主要为高速轴转频能量明显上升导致，高速轴附近存在间歇性动静摩擦。该故障属于典型的不平衡效应，综合数据分析认为引起不平衡的原因可能为液力耦合器涡轮轴承间隙增加，导致涡轮形成类似悬臂结构，表现出不平衡特征，同时涡轮与泵轮之间存在间歇性磨碰。系统提出维修建议：关注液力耦合器运行时振动情况，是否存在异响；排查液力耦合器涡轮轴承是否存在配合松动现象；准备备件，择机更换液力耦合器。根据检测系统提供的数据分析及维修建议，工作人员立即赶赴现场检修液力耦合器故障，3 h后设备恢复正常运行。

表1 设备各测点数值

（2）某矿山双齿辊破碎机在运行过程中齿轮箱振动较大，设备生产厂家维修人员通过传统检修手段检查，并未找到具体问题。随后专业人员利用该系统对齿轮箱进行了振动测试，以评估可能存在的故障。通过现场分析与比对，快速出具故障分析报告，提出可行性意见，测试设备高速轴和轴向振动加速度峰值分别为13g和8g（图6），对比设备约为2.5g和3.5g；测试设备高速轴和轴向振动速度峰值分别为14 mm/s和15 mm/s（图7），对比设备约为7.5 mm/s和11 mm/s；高速级啮合频率及其谐频附近存在轻微的调剂边带，调剂频率与高速级转频相符。

图6 设备加速度对比图

图7 设备速度对比图

监测系统设备状态描述为齿轮箱高速级齿面啮合不良，维修建议：检查联轴器对中情况，持续关注设备的振动趋势变化。维修人员到达现场后，检查联轴器后发现轴承已严重磨损，导致了高速级齿面啮合不良，设备振动较大，随即更换了联轴器，齿轮箱振动消除，设备正常生产运行。

设备健康管理系统在煤矿主要机电设备中应用的实际情况表明，该系统完全达到了预期的效果，可以快速精准地监测设备故障，并为现场检修提出意见，应用稳定。

5 结语

设备健康管理系统作为一种新兴的科技力量，给现代煤矿机电设备管理带来了一种更先进的管理模式和管理理念，以机代人、装备升级，从根源上杜绝了安全隐患的发生，为煤矿安全生产保驾护航。

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