基于电信号融合的煤矿井下坑道钻机故障预警

罗鹏平，王龙鹏，赵 良，张 锐，翁寅生，鲁飞飞

(中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

全液压坑道钻机是目前我国煤矿井下瓦斯治理的重要钻探机具。由于煤矿井下电气设备具有严格的防爆要求，使得能够用于煤矿井下的传感检测元器件种类较少，其设计开发成本较高。因此，煤矿井下钻机的状态监测和故障诊断技术的发展受到了很大制约[1]。目前，钻机的故障诊断主要依靠人工经验进行判断。为了使司钻人员实时了解钻机运行状态，需要给钻机配备状态监测系统[2]。

全液压坑道钻机液压系统由三相异步电动机驱动，机身配有电机启动柜，且启动柜一般都是隔爆型。因此，可以在启动柜腔体内加装普通霍尔传感器和普通数据采集器实时采集三相异步电动机的电信号。由于全液压坑道钻机液压系统的压力、流量以及温度等参数的检测只能在隔爆腔体外进行，这些传感器只能选择符合煤安认证的特殊传感器。因此，对于煤矿井下坑道钻机而言，钻机三相异步电机的三相电信号的获取相对容易。

一台设备的功率变化历程蕴含着该设备系统的运行状态、工况负载等信息[3]。根据这一基本原理，西安建筑科技大学谷立臣教授提出了充分利用电气参量提供的幅值、相位信息、相间和相序信息绘制单相和三相李萨如图，计算电功率与李萨如图特征量之间的定量关系。通过实时计算李萨如图图形面积、外接矩形面积、形状、旋转方向的变化，实现对系统运行状态、工况等信息进行有效在线监测[4-6]。

1 电信号融合理论

在运动学中，两个方向垂直且频率相同的简谐运动的合运动轨迹为椭圆，而电力系统中电网输送的电压和电流信号是频率相同的正弦波。如果以电压信号为横轴，电流信号为纵轴建立平面直角坐标系，则该坐标平面内的任意一点对应着电网系统某一瞬时电压和电流大小；因此，该平面内的任意一点横纵坐标的乘积代表了电网系统的某一监测点在某一时刻的瞬时功率，故将该平面定义为电功率平面[7]。图1为理想电功率轨迹，其由一个周期内电压和电流信号融合所得，A点的横纵坐标乘积反映了电网系统某一监测点在某一时刻的瞬时功率情况。文献[6]还从数学角度证明了椭圆面积与电功率之间存在简单的正比例关系。

图1 理想电功率轨迹

2 系统故障预警原理分析

在实际情况下，由电机定子侧获取的实测电信号往往不再是频率单一的正弦波，其中常常混有谐波分量以及边频分量。因此，由实测电压信号和实测电流信号融合所得电功率轨迹不再是标准椭圆。如图2中实测电功率轨迹所示，虚线轨迹为基频椭圆，即先对实测电信号进行滤波处理，提取实测信号中的基频成分，然后将实测信号中的基频电压和基频电流信号融合所得。

从系统能量角度来看，滤波前后系统的能量发生了变化，即图2中实线轨迹围成的平面图形面积和虚线轨迹围成的平面图形面积有差别，二者之间面积之差反映了滤波处理后能量的损失情况。

图2 实测电功率轨迹

由图形直观可得，实测电信号融合所得轨迹围绕基频椭圆轨迹发生畸变波动，因此可以通过数理统计的方法对二者的差异情况进行定量分析，方法如下：

以基频椭圆轨迹为实测信号轨迹的均值，对实测信号轨迹求方差：

设(u0,i0)为t时刻电功率平面内基频椭圆轨迹上的一点，(u,i)为同一时刻实测信号(未经基频提取处理)轨迹上与(u0,i0)对应的一点，则实测信号轨迹相对于基频椭圆轨迹的方差定义如(1)式所示，定义其为实测信号椭圆方差。

σ2=(u(t)-u0(t))2+(i(t)-i0(t))2

(1)

若将电信号一个完整周期内的方差作为一个样本，即每隔0.02 s求一次σ2，这样就可以得到σ2随时间变化的关系σ2(t)；从概率统计学角度来看，σ2(t)为统计学中的方差，它反映了实测信号轨迹以基频椭圆轨迹为中心的波动程度。从几何角度分析，上式(1)反映了电功率平面内任意两点之间距离，即反映了某一时刻两点间瞬时功率之间的差异情况。从这个角度出发，上述σ2的物理意义在于：其反映了任意时刻系统总的瞬时功率和基频瞬时功率之间的差异。

电机作为整个钻机系统功率的输入端，系统负载波动都可能影响输入功率。当钻机系统的机械、液压以及电气等方面出现故障时就会引起钻机整个系统能量发生变化，这种由故障引起的能量变化必然会传递到电机定子侧，引起电机定子侧电功率的波动，并具体表现为电功率图形轨迹的变化。因此可以通过监测实测电信号轨迹相对于基频椭圆轨迹的方差来实现全液压坑道钻机的故障预警。

3 试验研究

3.1 实验方案

为了验证该方法的有效性，针对两种常见典型故障进行了实验研究。根据电信号融合理论设计了图3所示的故障预警实验方案。实验系统组成如下：

三相异步电动机拖动液压泵，经换向阀控制液压马达正反转，液压马达轴端连接磁粉制动器用于模拟系统负载。电机定子侧安装有霍尔传感器用于电信号的检测，传感器测得模拟量信号经过采集器转化为数字信号，传输至计算机进行分析处理。

图3 故障预警实验方案

实验分别针对电气故障中的匝间短路故障和机械故障中的转子不对中故障展开研究。在匝间短路故障中，实验电机为一台2极三相鼠笼异步电机，实验在相同工况条件下，分别对电机u绕组三匝短接、五匝短接和不短接三种情况进行了研究。在转子不对中实验中，分别对转子与液压泵轴向不对中和对中两种情况展开了研究。

3.2 故障预警实验分析

钻机正常实测信号方差如图4所示，实线为钻机液压系统在8 MPa恒定载荷下实测信号椭圆方差曲线，虚线为钻机液压系统在12 MPa恒定载荷下实测信号椭圆差曲线。由图可知，不同负载工况下，实测信号方差曲线基本相同。

图4 钻机正常实测信号方差

上述结果表明，钻机在正常工作时，由供电系统引入到电机定子侧电信号的谐波分量是稳定的。因此，实测信号方差曲线不受钻机液压系统负载变化影响，钻机在正常工作状态下所测得实测信号椭圆方差基本是一个恒定值。

图5为三匝短路故障预警实测信号方差，是在钻机液压系统压力均为10 MPa恒定载荷情况下，钻机正常和钻机故障两种情况下所得试验数据。虚线为钻机正常情况下实测信号方差曲线，实线为钻机电机三匝短路故障时实测信号方差曲线。图6为五匝短路故障预警实测信号方差曲线，是在钻机液压系统压力均为10 MPa恒定载荷情况下，钻机电机三匝短路和五匝短路时实测信号方差曲线，图中实线代表了五匝短路时实测信号的方差曲线，虚线代表了三匝短路时实测信号方差曲线。

由此可知，钻机出现电机匝间短路故障时的实测信号方差大于钻机正常情况下的实测信号方差，而且随着故障程度的加剧，实测信号方差增大。

图5 三匝短路故障预警实测信号方差

图6 五匝短路故障预警实测信号方差

以上实验中所涉及的故障为电气故障，为了验证该方法对钻机其它类型故障预警的有效性，试验还对钻机中的机械故障进行了试验验证。图7为转子不对中故障预警实测信号方差，是电机转子对中和转子不对中时实测信号方差曲线，虚线为电机转子对中情况下实测信号方差曲线，实线为电机与液压泵之间转子不对中时实测信号方差曲线。由结果可知，钻机出现转子不对中故障时的实测信号方差也大于钻机正常状态下的实测信号方差。

图7 转子不对中故障预警实测信号

综上所述，钻机在出现匝间短路和转子不对中故障时所得实测信号方差均高于钻机正常状态下的实测信号方差，而且钻机在出现匝间短路故障时实测信号方差随着故障程度的加剧而增大。因此，通过对钻机电机电信号的实测信号方差的监测可以实现煤矿井下全液压坑道钻机的故障预警。

4 结语

鉴于煤矿井下全液压坑道钻机特殊的工作环境，采用检测钻机电机三相电信号间接测量方法实现了钻机的故障预警。该方法可以将普通工业传感器和采集器安装在钻机启动柜腔体内，极大地方便了信号的获取，同时降低了检测系统开发成本。借助电功率理论，通过对实测信号方差的监测实现了钻机的故障预警，为后续钻机的故障诊断奠定了一定基础。

[1] 翁寅生，姚克，殷新胜.坑道钻机参数测量系统及其在煤矿中的应用[J].煤矿安全，2016，11(47)：117-123.

[2] 张阳阳，姚宁平，董洪波，等.煤矿全液压钻机状态监测系统的设计与实验[J].煤矿机械，2014，35(3)：183-186.

[3] 谷立臣，张优云，丘大谋.液压动力系统运行状态识别技术研究[J].机械工程学报，2001，37(6)：61-65.

[4] 谷立臣，刘沛津，陈江城.基于电参量信息融合的液压系统状态识别技术[J].机械工程学报，2011，47(24)：141-150.

[5] 谷立臣，刘沛津.在线监测电机功率状态的图形识别方法[J].电机工程学报，2012，32(9)：100-108.

[6] 刘沛津.基于电参量信息融合的液压系统运行状态监测方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.

[7] 罗鹏平.基于电功率图形化方法的液压系统运行状态监测[D].西安：西安建筑科技大学，2015.