矿井主通风机状态监测与故障预警提升安全性的研究

＊王国栋

（山西焦煤集团公司官地煤矿通风科 山西 030000）

引言

矿井的通风系统保障着煤矿的安全生产，但是因为矿井内环境复杂，并且煤矿企业为节约成本使通风机的使用期限长，这些原因导致矿井通风机极易发故障。为了保障煤矿的安全生产、提升通风机的安全性，对矿井主通风机的状态进行检测与故障预警具有重要的意义。加强对矿井主通风机状态监测与故障预警技术的研究，顺应智慧矿山发展的大背景趋势，有助于保障矿井安全生产和提高企业效益，具有重要的实际意义与工程价值。

1.矿井主通风机状态监测与故障预警系统的意义

我国煤矿对于通风机检测主要使用的基于振动信号的状态检测技术，该技术的原理是对通风机的震动进行监测，根据震动幅度分析通风机的状态[1]。但是矿井通风机的运行状态复杂，对通风的振动进行监控具有局限性，只能检测到简单的故障，现代技术对信号分析的技术越来越成熟，所以采用新的方式对通风机振动幅值进行监测分析能够提升矿井主通风机状态监测与故障预警系统的安全性与可靠性。采用小波包联合阶次分析的方法对提取到的信息进行处理，提升了故障诊断效率，对煤矿的安全生产有重要价值。

2.矿井主通风机状态监测与故障预警系统硬件选择

矿井主通风机状态监测与故障预警系统的硬件系统如图1所示，主通风机与主机都采用煤矿原设备，需要重新选择传感器与数据采集卡满足系统的需求。

图1 矿井主通风机状态监测与故障预警系统硬件系统

(1)振动传感器选型

矿井主通风机状态监测与故障预警系统使用基于震动信号的状态检测技术，所以传感器使用振动传感器，振动传感器的分类及特点如表1。

表1 振动传感器类型及特点

在对比之后选择电测试振动传感器，电测试振动传感器分为检测加速度和检测位移两种，为了保证能对震动信号精确测量，所以矿井主通风机状态监测与故障预警系统使用加速度振动传感器，加速度振动传感器又可以分为输出信号为电流与输出信号为电压两种型号；输出信号为电压流的加速度振动传感器在长距离传输时信号精度差不稳定，而输出信号为电流的加速度振动传感器抗干扰能力强，适合远距离或者复杂电磁环境下使用，在矿井内对主通风机的振动进行检测使用输出信号为电流的加速度振动传感器。

(2)数据采集卡选型

传感器采集到的信息通过数据采集卡输入到工业计算机中进行处理，未来满足矿井主通风机状态监测与故障预警系统的需求，需要如表2性能要求的数据采集卡。

表2 数据采集卡性能要求

3.信号特征提取的方式

主通风机在运行过程中，传感器提取到的信号因为自身波动的复杂与环境的干扰导致难以提取出信号中蕴含的故障特征信息，所以为了解决故障信号特征提取难的问题，以及区分主通风机在非平稳工作状态中变转速状态或转速波动状态中不同的故障特征，对于特征的提取将会采用小波包联合阶次分析的方法，不仅能够准确提取有效故障特征中的原始信息数据，还能避免因为信息不准确导致误诊故障的问题。采用小波包联合阶次分析的特征提取流程如图2所示。

图2 采用小波包联合阶次分析的特征提取

矿井主通风机状态监测与故障预警系统提取通风机在非平稳工况特征步骤为：

（1）工业计算机将采集到的通风机信息进行处理，确定通风机是变转速状态或者变转速波动状态；

（2）如判定通风机处于转速波动状态，将使用小波包特征提取的方法对采集到的信息进行处理；

（3）如判定通风机处于变转速状态，采用阶次分析特征提取方法对信息进行处理。

小波包联合阶次分析的方法中分别使用了小波包分析方法和阶次分析算法，二者的原理分别为：

①小波包分析方法

矿井主通风机在运行过程中因为轴承的磨损等因素会导致转速发生变化，通风机风量也不稳定，传感器采集到的信号不平稳且存在调制现象，所以利用小波包特征提取的方式能够更好的处理非平稳信号时频域分析，提升信号的分辨能力[2]。通过高通和低通滤波器对小波包进行分解，将上一级频带分解得到下一级子频带信号，分解过程推导公式为：

式中：i为分解级数；

h(k)低通滤波器；

g(k)高通滤波器。

②阶次分析方法

矿井主通风机在使用过程中会停机、启动或者在通风量不同时，通风机的电机会变化运转速度，此时通风机振动的信号处于不平稳的状态，采集到的信号因为通风机的电机转动速度改变，其中有效的分量频率也会发生变化，采用阶次分析的方法能够有效去除转动速度改变对振动信号的干扰[3]，降低因通风机电机转动速度变化对信号频率调制的影响。阶次分析方法中的阶次、电机的转动速度以及故障特征的频率可以表示为：

式中：o为阶次；

f为故障特征频率；

n为参考轴的转动速度。

通过公式可以得出故障特征频率与参考轴的转动速度之比为固定大小，即矿井通风机在运行过程中，改变参考轴的转动速度阶次不会随参考轴的转动速度发生改变。

4.结论

矿井主通风机是煤矿生产不可或缺的一部分，保障井下工人们的生命安全，采用小波包联合阶次分析方法处理信号数据的矿井主通风机状态监测与故障预警系统：

（1）矿井主通风机状态监测与故障预警系统能够帮助提升煤矿安全性，在故障发生前预警或者故障发生时判断故障信息，降低煤矿因为通风机故障导致的经济损失。

（2）采用小波包联合阶次分析方法处理信号数据的矿井主通风机状态监测与故障预警系统能够快速准确的提取到故障信号特征，减少故障诊断的时间甚至是对故障的误诊，使矿井能安全平稳有序的运行。