浅议小波分析法在采煤机故障诊断中的应用

【摘 要】采煤机是综合机械化采煤工艺的主要设备之一，是一个集机械、电子电气、液压传动系统于一体的复杂系统。在实际工作中，采煤机的油液经常遭受污染，导致采煤机的液压元件和机械零件过早磨损，达不到使用寿命的情况时有发生。而采煤机如因故障停机，则将造成整个煤矿生产系统的瘫痪。目前存在的很多采煤机故障诊断法还存在很多不足，小波分析能够自适应地处理信号，在不同的频率区间采用不同的分辨率，可以较好地处理采煤机的故障信号。文章在简要介绍了采煤机的常见故障及原因后，对小波分析的基本特征进行了介绍，最后介绍了应用小波分析诊断采煤机故障的流程。

【关键词】采煤机；故障诊断；小波分析法

前言

采煤机是煤矿生产中非常关键的设备，是一个集机械、电子电气、液压传动系统于一体的复杂系统。然而其工作环境十分恶劣，在运转时受到来自煤、岩石等巨大的冲击载荷，还受到煤尘、水雾等其它方面的污染。尽管采煤机在设计之初已充分考虑了防止水分及其它污染物侵入油液，但在实际工作中，采煤机的油液经常遭受污染，导致采煤机的液压元件和机械零件过早磨损，达不到使用寿命的情况时有发生。而采煤机如因故障停机，则将造成整个煤矿生产系统的瘫痪。因此，采煤机的故障诊断方法得到了广泛关注，并且取得了较好的成果。其中，主要的故障诊断方法有：油液分析法、温度诊断法、振动测试法、噪声诊断法以及人工神经网络诊断法等，以上方法在诊断精度和诊断效率上还存在着一些缺陷，因此，应该寻求一种行之有效的方法对电牵引采煤机进行故障诊断研究。小波分析能够自适应地处理信号，在不同的频率区间采用不同的分辨率，可以较好地处理电牵引采煤机的故障信号，将小波分析应用于电牵引采煤机的故障诊断研究中是切实可行的。

1 采煤机的常见故障及成因

1.1 采煤机无法牵引

1.1.1 采煤机的背压不降低

主要包括以下几种故障： 功控电磁阀故障，主要原因是电磁铁线圈接点接触不好， 或者接线错误；功控电磁阀前阻尼管不通，主要原因是阻尼管比较细，容易被赃物堵塞，导致油路堵塞，回零油缸无法解锁，主油泵处于零位，马达没有油压供给；制动电磁阀故障，主要由于电磁铁接线接触问题导致的，电机开通后无法动作，从而导致电磁阀不能制动，制动器不能松开，失压控制阀不能被开启，导致回零油缸不能被解锁， 从而导致采煤机不能被牵引。

1.1.2 采煤机的背压降低

主要包括以下一些故障：辅助泵失灵，原因在于油泵泄漏量过高，回零油缸不能解锁；主油泵和马达损坏，从而使系统的背压减少，无法牵引采煤机。

1.2 采煤机单向牵引

主要故障包括以下几个：

（1）回油阻尼孔堵塞调速机构的伺服阀上设置了2 个阻尼孔，当其中1 个阻尼孔堵塞时，就导致1 个方向在调速过程中无法回油。

（2）回零油缸故障原因在于用于固定回零油缸的螺钉产生松动现象，活塞运动受阻，从而产生采煤机的单向牵引。

（3）主油管损坏原因在于作为回油管的主油管破损，将导致单向牵引。

1.3 采煤机的牵引速度下降

主要故障包括以下几个方面：

（1）正向和反向的牵引速度均降低， 原因在于：主油泵和马达的容积效率下降， 使内外泄漏增加；调节弹簧失效，导致高压安全阀失效，从而采煤机的牵引速度迅速降低；高压管泄漏，或者高压管脱落，使压力油分流，使牵引速度降低。

（2）正向或反向牵引速度降低产生这个故障的主要原因在于：主油路一侧泄漏，如果处于高压侧，则降低牵引速度。

2 小波分析的基本特征

因为煤矿井下电牵引采煤机的故障诊断具有较强的非线性，所以，能够通过具有时频分析特征的小波分析技术诊断电牵引采煤机的故障。

2.1 小波分析的多分辨分析

已知ω（t）为尺度函数，ω（t）在L2（R）空间形成的子空间V0可以定义为尺度空间，相应的数学模型

V0=span{ωi（t）} （1）

对尺度函数进行平移运算和伸缩运算能够得到一个尺度函数集，如下所示：

（2）

尺度i=0 和空间V0一一对应， 如果尺度i≠0，则在尺度i 上的尺寸空间利用如下的公式进行计算：

（3）

针对任何信号函数的小波变换方程

（4）

2.2 小波函数的确定

基于小波分析的采煤机的故障诊断可以选择高斯函数，在尺度的条件下其数学表达式

（5）

高斯函数时频窗口的宽度随着尺度的上升而变宽，随尺度的降低而增加。

2.3 故障信号的奇异性检测

一般而言故障信号中的奇异点通常伴随着关键的故障信息，所以，应该对信号的突变点进行检测，从而能够有效地诊断出电牵引采煤机的故障类型。通过小波分析找出故障信号的奇异性位置和大小是一种行之有效的方法。利用小波分析对故障信号信号进行多尺度分析，当故障信号信号产生突变时，经过小波变换后系数将产生最大的模量，所以，能够检测模量的极大值点发现故障产生的时间。

3 应用小波分析诊断采煤机故障的流程

这里以对我矿的一台采煤机的故障诊断为例，说明利用小波分析对煤矿井下采煤机进行故障诊断的流程。

（1）对煤矿井下电牵引采煤机进行小波分解，并且重构第二层高频信号，如图1 所示。

图1 煤矿井下电牵引采煤机二层高频重构波形图

（2）针对重构的信号采取无偏相关，无偏相关分析的结果如图2 所示。

图2 煤矿井下电牵引采煤机的无偏相关分析结果

（3） 针对图2 中的分析结果采取Hilbert 变换，相应的Hilbert 包络图如图3 所示。

图3 煤矿井下电牵引采煤机的Hilbert 包络曲线

（4）针对图3Hilbert 包络谱进行快速傅立叶变换， 最终可以得到解调谱， 相应的分析结果如图4所示。

图4 煤矿井下电牵引采煤机的Hilbert 解调谱扩大图

从图4 可以看出，煤矿井下电牵引采煤机的1、2 倍频比较明显， 表明该煤矿井下电牵引采煤机已经产生了故障。

4 结语

对于采煤机的故障分析与处理，只有熟悉采煤机的结构、性能、工作原理，在生产中正确操作、精心保养，搞好日常检查和维护，发现故障及时分析和处理，才能保障采煤机的安全运转，确保采煤生产的高产高效，最大限度地发挥采煤机的效能。将小波分析的故障诊断方法应用于煤矿井下电牵引采煤机的故障诊断之中，可以准确地发现煤矿井下电牵引采煤机的故障，从而能够采取有效的措施加以补救，避免煤矿企业的经济损失。

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