采煤机截割部轴承故障诊断系统研究

张 岩

（晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

我国煤炭资源储量十分丰富，每年的煤炭产量及煤炭开采量均位居世界第一，煤炭资源的开采成为了我国国民生产生活最为依赖的能源。据统计，煤炭资源在我国一次能源消耗占比中超过7 成，足以看出煤炭资源对我国发展的重要性。在进行煤炭资源开采过程中由于受埋深、赋存条件等因素的影响，对煤矿机械的要求也越来越高，采煤机作为截煤、装煤的重要设备，其性能优越性对于矿井开采十分重要，但由于其作业高效及工况环境较为恶劣，将使得采煤机极易出现故障。截割部是采煤机重要的组成部分，其主要功能为割煤和落煤，一旦采煤机截割部发生故障，使得整个采煤机处于瘫痪状态[1-2]。

截割部轴承采用滚动轴承，其在割煤时起到一定的润滑作用，能够降低采煤机工作时的磨损，轴承出现故障时采煤机不会停止工作，但会加大部件间的磨损，严重损坏设备。此前众多学者对采煤机截割部轴承故障进行过研究[3-4]，本文基于以上研究设计了一款采煤机截割部轴承故障诊断系统，为矿井高效及安全开采提供参考。

1 故障诊断系统需求分析及总体框架设计

设计采煤机截割部轴承故障诊断系统前，需要对设计的经济可行性及技术可行性进行必要的分析，确定设计的需求。在采煤机滚动轴承发生故障时会引发相关部位发生一定的磨损，严重时会导致相关部件发生损坏，降低部件的使用寿命。设计故障诊断系统能够对滚动轴承进行实时故障诊断，及时发现滚动轴承的故障，从而降低其他相应部件的磨损，延长设备的使用寿命。所以采煤机的截割部轴承故障诊断系统在经济层面来说可行。本文采用Java 和Matlab 软件相结合进行编程。利用Java 实现系统前端的设计，利用Matlab 实现算法及函数，所以截割部轴承的故障诊断系统在技术层面上也可行。

采煤机截割部轴承故障诊断系统通过可视化将诊断进行实时显示，便于操作人员对设备进行及时维修。轴承故障诊断的诊断原理主要是通过对轴承噪声进行采集及分析，对滚动轴承进行故障诊断。同时不同用户应当具有不同的权限，权限分为普通权限及管理权限两类，其中普通权限仅能对故障诊断系统进行查看，而管理权限在登录后可以进行实时操作。管理员模块包括了用户注册、读入数据、用户登录、数据预处理、截割部故障诊断、故障诊断及操作记录等内容。

2 轴承故障诊断系统设计

对采煤机截割部轴承故障诊断系统进行设计，截割部轴承故障诊断系统框架总体可分为四部分，分别有View层、Controller 层、Service 层、DAO 层。故障诊断系统的总体框架如图1 所示。从图1 中可以看出，View 层为系统的显示界面，内部包含数据显示模块、用户登录模块、用户注册模块，其主要用于人机互动；Controller 层是系统的主要业务模块，其是系统运行的模块核心；Service 层是系统运行的逻辑模块，其负责对采煤机截割部轴承信息进行汇总及分析，发现故障信息及时进行报警，是整个系统运行的“大脑”；DAO层是数据储存层，其能够将用户信息、诊断结果及操作记录等进行储存，是系统工作的持久层。

图1 截割部轴承故障诊断系统框架图

采煤机截割部轴承故障诊断系统整体包含5 个子系统，功能模块如图2 所示。其中用户登录区分普通用户和管理员。根据不同的标识符判断是哪种用户，从而显示不同的界面。读入数据是由8 种不同的频带振动数据和2 种不同频带噪声数据组合而成，系统通过对振动及噪声信息进行读入、整合，为后续故障诊断提供一定的依据。数据预处理模块主要是对读入的数据进行降噪等处理，从而提升轴承数据的精准性，保证截割部故障诊断的准确性及敏捷性。截割部故障诊断模块将预处理的数据通过Adaboost 集成学习算法和非线性逻辑回归进行检验，当发现采煤机截割部轴承存在故障信息时立刻通过截割部的故障诊断界面进行显示，从而达到实时报警的目的。操作记录模块是系统存储操作记录的一种方法，对操作人员的每步操作，及操作的时间、行为、功能项进行实时记录存储，在后期查找快捷方便。

图2 系统功能模块

在采煤机截割部轴承诊断系统运行过程中会形成大量数据，所以对诊断过程数据进行储存。本系统采用MySOL 数据库建立相关数据管理信息，其中建立的数据库内部分为4 种数据表格，分别为故障诊断记录表、用户信息表、操作记录表、截割部故障诊断数据记录表。数据库中每个表对应不同的数据，其中用户信息表用于存储用户身份信息、密码、用户权限等；故障诊断记录表主要用于记录诊断时间、诊断编号、诊断部位以及设备的运行状态；操作记录表用于记录操作人员的操作步骤及操作行为，避免出现操作人员的恶意篡改；截割部故障诊断记录表主要用于存放算法诊断情况，对数据进行记录。

利用软件进行系统实现，系统的开发选用windos2017 64 位机，处理器为因特尔I5-3230M CPU，设备容量为500 GB，运行内容为8 GB，开发工具选用Matlab2017a，以此完成故障诊断系统的设计，对数据的读取、故障诊断、数据预处理及截割部故障诊断进行相应测试。

通过对采煤机截割部故障诊断系统进行检验发现，在读入数据模块能够正常进行，同时检测数据能够以折线图形式显示；数据预处理模块能够正常获得主成分，同时展示贡献率直方图；截割部故障诊断模块能够正常显示Adaboost 集成学习算法故障模型机非线性逻辑回归诊断模型；操作记录模块能够记录正常操作过程，当用户出现非法操作时，系统会记录并标记异常；故障诊断模块能够正常接收诊断结果。综合而言，采煤机截割部轴承故障诊断系统能够满足期望要求，满足矿井生产需要。

3 结语

为了避免由于采煤机截割部轴承故障导致设备磨损大、寿命降低的情况，设计了一款采煤机截割部轴承故障诊断系统，首先对设计的技术可行性及经济效益性进行分析，确定了设计的必要性，同时根据设计需求设计了系统的读入数据模块、故障诊断模块、数据预处理模块、操作记录模块及截割部故障模块五大模块，最后对设计的采煤机截割部轴承故障诊断系统进行测试，发现故障诊断系统能够满足设计期望要求。