在线监测诊断技术在带式输送机中的应用研究

刘成玉

（山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274000）

1 工程概况

山东新巨龙能源有限责任公司（以下简称“新巨龙能源公司”）位于山东省菏泽市巨野县龙固镇，东距巨野县城约20 km，西距菏泽市40 km。井田位于巨野煤田中南部，井田面积180 km2，煤炭资源储量16.83 亿t。主采煤层平均厚度7.03 m，煤层赋存稳定、结构简单，适合于重装机械化、高效集约化开采，核定生产能力780 万t/a。

新巨龙能源公司采用带式输送机进行原煤运输，带式输送机及机电设备是新巨龙能源公司的核心设备，其运行稳定性和安全性是保证煤矿生产的基础，必须对带式输送机运行情况进行实时监测，对运行故障进行有效诊断，对设备出现的问题及时进行维修和保养。该公司以往带式输送机轴承监测采用红外温度仪定期监测，从近年来监测实践可知，带式输送机轴承采用单一温度监测方法，难以完成设备安全监测和早期预警重任，带式输送机多次发生因轴承问题导致运行安全事故，该监测方法只在即将出现较严重故障时轴承温度才会急剧上升。因此，有必要构建一种新型在线监测诊断系统[1-6]，对带式输送机电机、滚筒等关键设备振动、温度数据进行监测，及时发现故障并进行维修，为保障带式输送机的安全稳定运行提供基础。

2 新型在线诊断技术及振动温度监测分析仪设计

2.1 新型在线诊断技术关键技术分析

2.1.1 小波包滤波技术

小波分析是一种时频分析方法，在时频两域都具有表征信号局部特征的能力。在小波分析理论基础上发展形成了小波包分析，小波包分析可以为信号提供更加精细的分析。小波包分析中信号划分更精细，可对频带部分多层次划分，实现低频和高频的分解，基于分析信号特征自动进行频带的匹配，时频分辨率大幅度提高。

在煤矿带式输送机运行故障诊断过程中，煤矿带式输送机部件发生故障后，各部件基于自身结构差异因素产生信号含非平稳成分。可利用小波包分析方法将带式输送机零部件含有大量非平稳成分信号进行分解，进而进行滤波处理，可有效提取轴承故障特征。

离散信号的小波包分解算法：

其中：pk、qk为小波包重构共轭滤波器系数。

2.1.2 故障定量识别技术

带式输送机振动信号经小波包滤波后，脉冲冲击法处理，对带式输送机故障进行定量识别诊断。当金属球与金属板相撞的瞬间，会产生以压力波形式从碰撞点向外传递并呈脉冲状态的冲击脉冲，冲击脉冲最大幅值会较大但其持续时间非常短，会很快衰减，因此其频率范围很宽。若金属板的某阶固有频率落在其频率范围内，则会激起金属板该固有频率的衰减振动，这即是共振，冲击脉冲表现为断续特征，冲击脉冲的强弱可用来反映相撞故障的严重程度。带式输送机轴承故障定量识别可采用冲击脉冲法，并采用分贝值进行尺度衡量，可有效地对带式输送机轴承整体运行状态进行判断。当分贝（dB）值小于21 时，表明带式输送机轴承工作状态良好；当分贝（dB）值大于21 但小于35 时，表明带式输送机轴承处于故障早期，轴承出现有早期损伤现象；当分贝（dB）值大于35 小于60 时，表明此时带式输送机轴承已处于严重故障时期，轴承出现有明显的严重损伤。

2.2 振动温度监测分析仪设计

设计有SK-V201 型智能振动温度监测保护仪对带式输送机轴承振动及轴承温度进行连续监视和测量，对设备工作情况进行分析和维护。SK-V201 型智能振动温度监测保护仪总体设计方案如图1，采用ARM+DSP 的双核处理架构。

图1 SK-V201 型智能振动温度监测保护仪设计方案

SK-V201 型智能振动温度监测保护仪采用光纤振动传感器和温度传感器对带式输送机电机、滚筒轴承等关键部件振动、温度参数进行监测。采集的振动、温度参数信号经信号调理电路、A/D 转换模块后，通过SPI 总线进入DSP 处理器处理，可及时掌握设备发生故障的类型和严重程度。DSP 处理器完成故障诊断后将振动、温度数据和诊断结果上传，通过ARM 处理器完成显示、数据存储、通信处理、数据备份转存等功能。

3 在线监测诊断系统设计方案

3.1 运行工区井下钢芯带式输送机监测系统测点

新巨龙能源公司运行工区井下钢芯带式输送机监测系统测点情况如下所述：

1）C2 一部带式输送机测点分布：滚筒数量测点12，温度数量测点24，振动数量测点24；电动机、减速器、耦合器数量测点3，温度数量测点和振动数量测点均为6。

2）C2 二部带式输送机测点分布：滚筒数量测点8，温度数量测点16，振动数量测点16；电动机、减速器、耦合器数量测点2，温度数量测点和振动数量测点均为4。

3）3105 一部带式输送机测点分布：滚筒数量测点12，温度数量测点24，振动数量测点24；电动机、减速器、耦合器数量测点3，温度数量测点和振动数量测点均为6。

4）3105 二部带式输送机测点分布：滚筒数量测点11，温度数量测点22，振动数量测点22；电动机、减速器、耦合器数量测点4，温度数量测点和振动数量测点均为8。

5）5103 一部带式输送机测点分布：滚筒数量测点10，温度数量测点20，振动数量测点20；电动机、减速器、耦合器数量测点3，温度数量测点和振动数量测点均为6。

6）S1 带式输送机测点分布：滚筒数量测点11，温度数量测点22，振动数量测点22；电动机、减速器、耦合器数量测点4，温度数量测点和振动数量测点均为8。

7）S2 带式输送机测点分布：滚筒数量测点9，温度数量测点18，振动数量测点18；电动机、减速器、耦合器数量测点4，温度数量测点和振动数量测点均为8。

3.2 带式输送机在线监测诊断系统总体设计

新巨龙能源公司带式输送机轴承在线监测诊断系统总体设计方案如图2。采用振动、温度传感器获取带式输送机轴承运行状态中振动、温度信号，利用DSP 运行轴承在线监测诊断分析软件对轴承故障类型和严重程度进行精准判断，将诊断结果实时传输至地面监测站。

图2 带式输送机在线监测诊断系统总体设计图

3.3 实例分析

2021 年6 月，带式输送机在线监测诊断系统发现新巨龙能源公司C2 一部带式输送机出现滚筒轴承温度偏高预警。利用在线监测诊断系统导出其报警振动信号，对该振动信号进行3层小波包分解后，得到第1层细节信号并进行包络解调分析，如图3所示。包络解调谱中发现旋转频率及其2倍频（2f）处出现大峰值，判定本次C2 一部带式输送机滚筒轴承振动剧烈的故障调制频率。

图3 C2 一部带式输送机报警信号的第1 层细节信号及其包络谱

对C2 一部带式输送机所处巷道进行现场检查发现，基于巷道下沉导致轴承内圈与轴两者轴心线不重合。找到C2 一部带式输送机滚筒轴承温度偏高预警发生的原因后，采取了针对性的处理措施，有效解决了轴承内圈与轴配合不当的问题，滚筒轴承温度偏高预警消失。当前C2 一部带式输送机运行良好。

4结论

以小波包滤波技术与故障定量识别技术为核心，采用DSP+ARM 双核处理系统的SK-V201 型智能振动温度监测保护仪，构建新巨龙能源公司运行工区井下带式输送机在线监测诊断系统。在线监测诊断系统采用振动、温度传感器对滚筒轴承振动、温度参数进行实时监测，对故障类型和严重程度进行精准判断，实践应用效果理想。