高寒地区露天采矿设备故障监测诊断探析

摘要：电铲是露天矿主要采掘设备，因此，电铲生产能力是露天矿重要的经济技术指标，是确定运输设备及其它主要设备的数量的基础。本文从高寒地区对采矿设备的影响出发，介绍了设备故障监测诊断技术的现状和发展趋势，总结了电铲主要部件的常见故障及其排除方法。

关键词：露天采矿；设备故障；监测；诊断

中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：

在“十二五”规划中，酒钢（集团）公司决定将镜铁山矿打造成一个保障供给铁矿石的战略基地，通过产能改造将它生产能力扩大至1000万吨/年。黑沟矿区地处于祁连山腹地，为露天法开采作业矿区，这里拥有太原重机厂生产的WK-10B、WK-20、WK-35、WK-55等电铲（电动单斗挖掘机的简称），美国B-E生产的395B型、495HR型电铲和P&H公司的2800XP型等电铲。近期，新近采购2台WK—10B电铲挖掘机已全部投入使用，这无疑为保证公司既定目标的实现提供了更加雄厚的物质基础。电铲是露天矿必备的机械，其机电设备运转的好坏，将直接影响到露天生产计划的完成与否。因此，如何运用科学技术手段，加强对电铲的故障监测诊断，对降低电铲故障的发生率，延长电铲的使用寿命以及提高生产效率都有着极其重要的意义。

1.高寒地区采矿条件对电铲的影响

(1)气候条件:黑沟矿区平均海拔高度2640m，年最高气温26.5℃，最低气温-24.3℃，结冻期长达7个月之久，冬季时间长且寒冷，夏季短且酷热，特别白天与夜间的温差较大，对电气设备运行的稳定性有很大的影响；年平均降水量为80mm，气候干燥，设备在露天条件下使用，各类粉尘大，春季风沙大，最大风速23m/s，要求电铲的电气系统具有很好的防尘装置。

(2)地质条件:黑沟矿以9勘探线为界，分东、西两个采场即Ⅰ、Ⅱ期采场，矿山运输采用溜井—平硐—斜井联合开拓运输方式。矿区地形险峻，东高西低，自然坡度一般为37°～40°。海拔最高4025m，地表工业场地标高2630m。这种地形需要电铲司机有熟练的技术，否则，容易引起生产事故。

(3)供电自然条件：采掘场外部有变电所一座，有两台容量为50MVA，三绕组变压器，电压为110/35/6kV。由该变电所至采掘场设两回35kV架空线路(采掘场南、北侧各一回)，负担采掘场内电铲、钻机等设备的用电。

(4)工作制度：每天3班，每班8小时，原则是休人不休设备，提高设备的运用率。为防止大的机电事故障发生，必须及时对设备进行监测维护保养，确保零事故。

通过以上资料可以看出，电铲的工作环境十分恶劣,野外作业,高温、严寒、较大的日温差、震动、粉尘、连续作业，尤其是在爆破不好或采矿作业面过高的情况下，还存在挖根底作业和突然的大面积塌方，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，对电气传动系统而言，要求它不但能够克服恶劣的自然条件，还要在工作时电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率；要求具有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快；要求系统制动性能好，并能回收能量；要求系统运行可靠，维修方便等。

2.设备故障监测诊断技术的现状和发展趋势

故障是设备的异常状态，根据检测设备异常状态信息的方法不同，形成了各种设备诊断方法。

2.1利用振动进行设备诊断

设备发生故障时，常表现为振动频率的变化，通过检测振动的频率、转数、振动的速度、加速度、位移量、相位等参数，并进行分析，从中可以找出产生振动变化的原因。

2.2超声波诊断法

超声波通过裂纹时反射超声波将发生异常，从而可确定裂纹情况。其主要优点是，检测速度快，灵敏度高，仪器轻巧，操作方便，对人体无损害，因此比较广泛地应用于机器部件内部缺陷的检测诊断。

2.3声发射诊断法

物体内部发生变形、裂纹时，将有部分能量以声、光、热的形式释放出来，通过分析辐射出的声能便可知道裂纹的情况，也是一种无损检测方法。由于声发射提供了材料状态变化的有关信息，所以可用于设备的状态监测和故障诊断。

2.4红外线诊断法

通过测定设备辐射出的红外线，确定温度分布（如加热管的温度分布），以确定设备是否有异常。红外线探测器可分为热探测器和光子探测器两类，前者根据入射红外线的热效应引起探测器材料某一性质变化而实现探测目的；后者则根据入射光子流引起物质电学性质的变化达到探测目的。红外线测温技术已广泛应用于设备运行过程各阶段的状态监测与诊断。

2.5计算机监测诊断

随着计算机的发展，研制计算机设备监测系统日益受到重视，建立智能监测与诊断系统一个发展趋势。当有大量设备需要监测和诊断时，或者关键设备需要连续不断地监视时，频繁地进行数据采集、分析和比较是十分繁重的工作。这时用计算机进行自动监测和诊断可节省大量的人力和物力，并能保证诊断结果的客观性和准确性。计算机监测诊断系统有多种类型，按其所采用的技术可分为：简易自动诊断、精密自动诊断；诊断专家系统。它能模拟故障诊断专家的思维方式，运用已有的故障诊断技术知识和专家经验，对收集到的设备信息进行推理做出判断，并能不断修改、补充知识以完善专家系统的性能，这对于复杂系统的诊断是十分有效的，是设备故障诊断的发展方向。如图1所示，故障诊断专家系统它由数据库、知识库、人机接口、推理机等组成。其各部分的功能为：

图1故障诊断专家系统结构图

1)数据库：通常由动态数据库和静态数据库两部分构成。静态数据库是相对稳定的参数，如设备的设计参数、固有频率等；动态数据库是设备运行中所检测到的状态参数，如工作转速、介质流量、电压或电流等。

2)知识库：存放的知识可以是系统的工作环境、系统知识(反映系统的工作机理及系统结构知识)、设备故障特征值、故障诊断算法、推理规则等，反映系统的因果关系，用来进行故障推理。知识库是专家领域知识的集合。

3)人机接口：人与专家系统打交道的桥梁和窗口，是人机信息的交接点。

4)推理机：根据获取的信息综合运用各种规则，进行故障诊断，输出诊断结果。是专家系统的组织控制机构。

3.电铲主要部件的常见故障及其排除方法

3.1 电铲主要部件的常见故障

卷筒轴是铲斗升降作业的核心受力件，容易发生疲劳破坏，卷筒轴与卷筒齿轮过盈联接处在工作一段时间后发生相对转动，是卷筒轴与卷筒齿轮过盈联接遭到破坏，磨损剧烈，震动加剧，严重时，卷筒轴可能会发生断裂。联轴器是把电动机轴同转动轴直接连接起来的装置，它缓冲转矩，使传动平稳。对轮中间有五个硬胶垫，易发故障对轮螺丝断或松动、硬胶皮坏。提升钢丝绳是提升机构的一个重要组成部分，工作条件恶劣，在钢丝绳的使用过程中，由于磨损或受力过大过猛等原因，会出现断股、断丝、直径缩小现象，其损伤程度及承载能力直接关系到设备及人身安全。提升减速箱是提升机构的传动减速系统，工作条件恶劣，有异物进入、维护不周等原因易发生齿轮打牙、齿轮磨损过限、轴承发热烧死。提升发电机、提升电动机，易发生整流子有斑点，电机冒火、碳刷磨损过限、底角螺丝松动。闸皮在工作过程中会逐渐磨损，当磨损值超过原来厚度的一半时，必须更换新的，以保证制动装置的灵敏可靠，易发生电磁阀不吸、分气阀气路不通，造成抱闸打不开。

3.2对常见故障的排除方法

在长期的生产实践过程中，经过前辈们摸索，探索出一套行之有效的诊断方法，即“耳听、眼观、耳闻、手摸”，它直接简捷，可及时发现故障，预防事故发生，减少检修时间，广泛应用于生产实践。这里，“耳听”就是主要听提升发动机、电动机的运转状态是否正常；听减速箱是否有异响；听气路是否畅通等。“眼观”就是观察提升电动机、发动机整流子的光洁度及刷架、刷窝、碳刷是否过限；观察底角螺丝、联接螺丝等是否松动；观察联轴器螺丝、胶块是否松动；观察减速箱是否有打牙、是否漏油；观察制动装置是否灵活；观察钢丝绳是否有短丝、断股、直径缩小现象；观察设备是否有断裂等现象。“鼻闻”主要是闻各部线路是否有焦糊味。“手摸”主要是用手去感觉电动机、发电机的温度是否正常，减速箱、轴承温度是否过高等。

除了“耳听、眼观、耳闻、手摸”方法外，目前国内的故障诊断较先进方法是采用瑞典SPM公司VIB-10测振仪，测取振动速度有效值，数据重复性很好，从中获取有关提升传动系统的故障信息。电铲在挖掘时将铲斗向上提起，使斗刃产生巨大的切削力，由于物料性质的差异，切削力是随机变化的。测试选择提升阶段进行，回转平台固定不动，测试点布置在对振动响应最敏感的滚动轴承，考虑到传动系统的转速不高，应选择振动速度作为检测参数。

参考文献：

[1]郑春慧，崔崧巍．浅述电铲的正确维护和保养[J]．民营科技．2009(04)

[2]费敏锐，陈伯时，郎文鹏．综合智能控制方法概述[A].2005年中国智能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会论文集(上册)[C].2005年