（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的采煤机故障诊断系统的研究.pdf

摘要 摘要 采煤机作为机械化采煤作业的主要设备，由于长期处在恶劣的工作环境中， 发生故障的频率非常高，因此研究有效的故障诊断方法具有重大的现实意义。本 文围绕采煤机电气、机械故障诊断进行了具体研究。 变频器是电牵引采煤机的重要组成部分，运用先进的虚拟仪器开发平台 l a b v i e w ，开发了采煤机变频器故障诊断系统。详细介绍该系统硬件构成和软件 设计，实现了对变频器主要故障的诊断及报警，且具有数据存储，数据记录的查 询等功能。 对采煤机齿轮和滚动轴承的故障机理及常见失效形式分析，研究了采煤机齿 轮和轴承主要故障信号的特征。开发了基于虚拟仪器的齿轮和滚动轴承的故障诊 断系统，实现了对采煤机齿轮和轴承故障信号分析，并对齿轮和轴承故障进行实 验验证，介绍了实验方法及硬件组成。 本系统软件具有可扩展和模块化等特点。仪器的功能可由用户定义，并根据 自己的需要增加或修改软件，与传统故障诊断系统相比，有很大优越性。 图e 5 8 2表e s - i参e 4 6 关键词：虚拟仪器；采煤机；故障诊断；信号分析；变频器；齿轮；轴承 分类号：t p 2 7 7 安徽理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t s h e a r e ri st h em a i ne q u i p m e n to ft h em e c h a n i z e dm i n i n go p e r a t i o n , b e a u s e l o n g t e r mu n d e rt h ep o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n t , t h ef r e q u e n c yo fo c c u r r e n c eo ff a i l u r e i sh i g h ，s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt od e v e l o pe f f e c t i v ef a u l td i a g n o s i sm e t h o d i nt h i s p a p e r , t h es p e c i f i cr e s e a r c hi sc a r d e do u ta r o u n ds h e a r e re l e c t r i c a l ，m e c h a n i c a lf a u l t d i a g n o s i s f r e q u e n c yc o n v e r t e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fe l e c t r i c a lt r a c t i o ns h e a r e r t h i sp a p e r h a sd e v e l o p e df a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rs h e a r e rf r e q u e n c yc o n v e r t e rb a s e do n l a b v i e w , b ya p p l y i n ga d v a n c e dd e v e l o p e dp l a t f o r ml a b v i e w t h eh a r d w a r e s t r u c t u r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g nh a sb e e np r e s e n t e di nd e t a i la n dt h es y s t e mh a s r e a l i z e dt h ef u n c t i o no fa l a r ma n dd i a g n o s i s ，w h e nc o n v e r t e rh a p p e n e dt h ef a u l t i ta l s o a c h i e v e dt h ef u n c t i o no fd a t as t o r i n g ，c o n s u l t i n g ，a n ds oo n t h i sp a p e rh a sa n a l y s i s e df a u l td i a g n o s i st h e o r ya n dc o m m o nf a u l to ft h eg e a r s a n dr o l l i n gb e a r i n g s t h ec h a r a c t i s t i co ft h em a i nf a u l ts i g n a l so ft h eg e a r sa n dr o l l i n g b e a r i n g s ，f a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rs h e a r e rb a s e do nv i r t u a li n s t r m n e n ti sd e v e l o p e d , t h i sp a p e rr e a l i z e d st h eb a s i cf u n c t i o no ft h ef a u l ta n a l y s i so fg e a r sa n dr o l l i n g b e a r i n g s ，a n dc o m p l i s h st h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no fs h e a r e rg e a r sa n dr o l l i n g b e a r i n g s e x p e r i m e n t a lm e t h o da n d h a r d w a r ec o n s t i t u t i o na r ea l s oi n t r o d u c e d t h es y s t e ms o f t w a r eh a sc h a r a c t e r so fe x p a n s i b i l i t y , m o d u l a r i z a t i o n u s e r sm a y d e f m ef u n c t i o no fi n s t r u m e n t sa c c o r d i n gt oi n d i v i d u a ld e m a n d i fi m p r o v e m e n to f s y s t e mi sr e q u i r e d u s e r sm a ya d do rm o d i f ys o f t w a r e c o m p a r e dt 0t h et r a d i t i o n a l f a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，i th a sas t r o n ga d v a n t a g e f i g u r e 5 8 t a b l e 5 r e f e r e n c e 4 6 k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；s h e a r e r ；f a u l td i a g n o s i s ；s i g n a la n a l y s i s ；c o n v e r t e r ； g e a r ；r o l l i n gb e a r i n g s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 7 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者张纽日期咩年j 月名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) j ， 学位论文作者签名：鱼匆、红 签字日期：少7 年月扣日 ， 导师签名：辟豺签字日期：z 。7 年占月卜日 引言 伴随着现代科学技术的迅速发展，现代化设备所引起的故障或事故所带来的 损失不断增加，设备的故障诊断和维修越来越成为一个突出的问题。人们对机械 设备的可靠性、安全性、可维修性等提出了越来越岛的要求。因此，怎样在设备 运行中或在基本不拆卸的情况下，借助或依靠先进的传感器技术、动态监测技术 以及计算机信息处理技术，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和现象， 并预测故障可能的发展和设备未来的发展趋势是目i ；i 亟待解决的问题。 采煤机是一个集机械、电子电气、液压传动为一体的复杂系统。它是机械化 采煤作业的主要机械设备，其功能是割煤和装煤。但是由于长期处于恶劣的工作 环境下，采煤机发生故障的频率十分高。使得人们对采煤机设备的可靠性、安全 性提出了越来越高的要求。我国对采煤机的安全问题极为重视，煤矿安全规程 中对采煤机的性能参数有明确要求。虽然采煤机本身有一些保护措施，但是故障 仍然时有发生，致使煤矿的正常生产受到影响。目前对于采煤机故障的诊断基本 上都是依靠技术人员的经验，不仅维修周期长、诊断j 下确率低，而且消耗了大量 l 1 人力、物力，严重影响煤矿的生产- 。因此研制出有效的故障诊断系统，对提高 煤矿的经济和社会效益具有重要意义。 安徽理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究意义 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浸入油液，但在实际工作中，由于采煤机 所处的环境，导致采煤机的液压元件和机械零件过早磨损，电气设备出现故障， 达不到使用寿命的情况时有发生。而采煤机如因故障停机，则将造成整个煤矿的 生产。因此，需要建立一套完整的故障诊断系统来准确描述采煤机的运行状态， 并对故障进行诊断和预报，以增加采煤机的开机率，保证工作面的高产高效。 1 2 采煤机故障诊断的研究现状 采煤机工作环境复杂恶劣，载荷变化很大，一些关键部位在正常工作中很容 易发生过载，出现异常。如采煤机牵引行走链轮负荷大、载荷不均，其支承轴承 很容易发生磨损或滚动体碎裂等。但在轻度损伤情况下，工作人员不易发现，等 到故障发展到轴承严重烧坏，不能工作时才有觉察。这种支承轴承的严重损坏可 能会影响到链轮轴、链轮及与其相啮合的其他零件，进而导致其他部件的损伤。 再如采煤机摇臂部位各传动轴承受力很大，由于摇臂频繁升降，润滑状况较差， 也极易发生轴承损伤故障。这些是采煤机在正常工作中经常发生的轴承故障的原 因。当然，引起轴承故障的原因不仅仅是轴承过载，如润滑系统发生污染，润滑 不良；轴承安装不正；或载荷较大时与轴承相配合的轴、支承座等发生变形等， 均会导致轴承发生故障。还有制造、设计等方面的问题和轴承本身的缺陷等，都 对轴承的使用和寿命有影响。通过局部温度、液压系统压力等参数的在线检测可 以及时发现部分故障【2 ，3 ”，6 引。 设备故障诊断技术发展到今天，已经成为- r 独立的跨学科的综合信息处理 技术，涉及到动态信息处理、计算机、人工智能等众多领域的知识。世界先进采 煤国将电力电子技术、计算机技术、微电子技术等成功地应用于采煤机的制造及 其运行过程的监测监控，显著提高了采煤机的整机性能、安全性、可靠性和自动 化水平。由于世界先进采煤国的设备制造水平和生产自动化水平较高，再加上研 究和应用起步早，因而国外先进采煤机的工况监测范围比较全面，故障诊断水平 也相对较高。 2 第l 章绪论 国外故障诊断技术发展迅速。目前，西方发达国家正投入大量的人力、物力 进行该项技术的工业化研究以及相关基础应用技术研究，并且已经推出面向大型 机械设备状态监测与故障诊断的商品化系统。如：美国b e n t i y 公司最新开发的旋 转机械和往复机械系统s y s t e m l ：美国w e s t i n g h p u s e 公司从1 9 8 0 年开始致力 于电站设备智能系统的开发，已经成功应用的产品包括电机智能诊断系统 g e n a i d 、电站化学水智能诊断系统c h e m a i d 和汽轮机智能诊断系统t u r b i n a i d ： 美国r o c k w e l la u t o m a t i o ne n t e k 公司在设备预知维修技术方面处于领先地位，其 机器保护和诊断系统x m 系列和e m o n i t o r 软件系列产品已经在企业中得到了成功 应用；瑞士a b b 公司目前正在大力发展以计算机为核心的人机联合系统 v i b r o v i e w ，借助软件实现对机器故障的精确诊断，同本m i t s u b s h i 公司研制的 m h m s ( m a c h i n a r yh e a l t hm o n i t o r i n g ) 和应用模糊理论开发的振动诊断专家系统在 电站中得到应用。新r 铁于1 9 7 1 年着手开发诊断技术，到1 9 7 6 年基本上已达到 实用阶段，现在该公司的设备管理和维修已普遍采用诊断技术。 我国在过去的十几年中，煤炭产量得到迅速提高。但是，由于多方面原因， 国产采煤机的整机水平与国外先进采煤机相比，还有相当大的差距。虽然我国也 曾引进了部分国外先进的采煤机制造技术，但是，目前还没有研制出全部国产化 的变频或整流装置，而集计算机和传感元件于一体、能够自动监测、具有故障诊 断功能的采煤机尚为空白。从总体上看，国产电牵引采煤机的工况监测范围很不 全面，监测参数比较少，基本上没有故障诊断功能，与世界先进水平相比，国产 电牵引采煤机工况监测和故障诊断技术水平低，差距非常明显。实现采煤机的工 况监测和故障诊断，不仅是丰富其整机功能、提高其自动化水平、增强安全性和 工作可靠性等的需要，而且是为将来形成顺槽控制、实现采煤自动化及无人工作 f ，l 面奠定基础和提供技术支持p 。 我国故障诊断技术方面的研究起步较晚，开始于2 0 世纪7 0 年代，落后于国 外至少2 0 - 3 0 年的历史，基本上是在引进先进技术基础上进行消化、吸收而发展 起来的。第一阶段为起步阶段，从1 9 7 9 年至1 9 9 0 年大约用1 0 年时间。这个阶段 的特点是认识设备诊断技术的重要性，设备诊断技术的基础理论研究十分活跃， 这个阶段以快速傅立叶变换、谱分析、信号处理等技术为基础，以设备状态监测 为技术目标。第二阶段为发展阶段，从1 9 9 1 年开始至9 0 年代未以我国工业的建 设迅速发展为背景，以现代化管理的需要为前提，出现了诊断技术迅速发展的局 面，这个阶段以故障分类、模式识别、智能化专家系统计及( 故障树计算、模糊逻 辑计算、神经网络计算、基因计算等) 为基础，全方位开展了设备的故障诊断研究， 3 安徽理t 大学硕士学位论文 从理论和生产应用上形成了具有我国特点的故障诊断理论，研制出了可与国际接 轨的大型设备故障监测与故障诊断系统。2 0 世纪8 0 年代，国内开始着手组建故 障诊断的研究机构。8 0 年代后期，清华大学、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨 工业大学、西安交通大学等院校都开始了这方面的研究。其后陆续推出一些故障 监测与故障诊断系统，如：西北工业大学研制的机械设备状态监测和故障诊断网 络系统m d 3 9 0 5 ；郑州工学院针对化工大型旋转机械的在线监测与故障诊断系统 的m m d s - 9 0 0 0 ；清华大学针对汽轮发电机组开发了振动监测分析与诊断系统 v m a d s ，通过计算机网络传输在线采集的振动数据，分别在现场分析站和远程 中心站进行监测、分析和诊断；西安交通大学研制的分布式监视与远程诊断系统 d m r d s 具有标准网络结构，可以和企业中的分布式控制系统d c s 以及管理信息 系统m i s 集成；华中理工大学对基于知识的智能诊断理论进行了深入研究，并且 针对具体对象研制开发了发电机诊断系统k b s e d 和汽轮发电机组诊断专家系统 d e s t 。 由于目前诊断方法软件设计开发周期比较长，可扩展性也不高。而虚拟仪器 技术经过近2 0 年的发展，技术日趋成熟。利用虚拟仪器公司研制的数据采集卡， 能迅速地建立一个功能强大、性能稳定的故障诊断系统，l a b v i e w 也有很好的开 放性和扩展性，使系统功能的扩展和完善变得非常容易，操作界面直接面向操作 人员，直观而友善，操作简单。 在我国，尽管虚拟仪器的应用较晚，还处于应用初期、起步阶段，但其应用 已经体现在航天航空、机械工程、电力电子工程、建筑工程、生物医疗、纺织工 程及其教学科研等诸多领域，对科学技术的发展和生产产生了巨大的影响和经济 效益。当前，在以p c 机为基础的测控软件中，l a b v i e w 的市场普及率已仅次于 c + + 与c 。随着计算机和微电子技术的发展，虚拟仪器很有可能成为下一代的仪 器标准。因此选择在l a b v i e w 平台下开发的采煤机故障诊断系统有很好的应用 前景。 基于虚拟仪器的采煤机故障诊断系统是l a b v i e w 在采掘机械设备诊断方面 的一个尝试。软件开发周期短，能够实现多参数同时监测，大大提高诊断的可靠 性。其应用对提高煤矿的经济和社会效益具有重要意义。 1 3 采煤机故障诊断研究中存在的问题 目前对于采煤机故障诊断方法主要有1 7 i ： 1 参考故障历史记录诊断方法 第1 章绪论 该方法主要依据采煤机的系统组成原理，从出现的故障明显部位着手，对该 局部故障的所有依赖性元器件和系统进行分析排查，直至查出出现故障的症结。 该方法纯粹是依赖历史诊断经验。在故障系统复杂、种类趋多情况下，对故障诊 断的经验记录就过于庞大，诊断效率低下。 2 温度、压力监测诊断法 利用摩擦副、轴承和齿轮传动箱等部位的温度、压力传感器，可以定点在线 地监测采煤机相关部位的温度和压力参数。对于电气系统的故障诊断效果有些局 限，且对传感器的设计和安装提出了很高的要求。 3 采煤机故障诊断专家系统 专家系统能够综合运用领域专家的经验和专门知识，模拟专家的思维过程， 对故障进行分析求解，得出可靠的诊断结论。但是由于其故障处理能力取决于它 的知识库容量与质量，同时还取决于其推理引擎的结构和性能，对开发者的专业 知识要求十分高。 4 b p 神经网络在采煤机故障诊断中的应用 神经网络独特的结构和信息处理方法，使其在模式识别、信号处理、自动控 制与人工智能等许多方面得到实际的应用。算法的学习速度很慢，训练失败的可 能比较大，这就使故障诊断正确率降低。 综合目前采煤机故障诊断的方法主要存在着过于依赖技术人员的经验，对专 业知识要求较高以及诊断正确率低等问题。 1 4 课题来源及主要内容 本课题来自皖北煤电集团科技攻关项目。 本论文是在深入研究采煤机系统各种故障特征基础上，借鉴国内外研究成 果，采用美国n i 公司的l a b v i e w 集成开发平台，根据现有实验设备和实验条件， 开发出了一套集数据采集、状态监控、故障诊断、数据存储为一体的多任务信息 处理系统。 本文主要内容包括： 第一章，绪论。介绍采煤机在煤矿生产中的重要地位，并分析了目前采煤机 故障诊断现状及其存在的问题，最后提出了本论文采用的诊断方法。 第二章，采煤机结构及其故障形式。对采煤机的结构及其故障形式进行了介 绍，并对故障发生的原因进行分析。 第三章，采煤机变频器故障诊断系统。以变频器作为采煤机电气故障的诊断 5 安徽理：大学硕十学位论文 对象，结合实验室现有设备，模拟了采煤机变频器的故障。通过基于虚拟仪器开 发平台的l a b v i e w 设计了采煤机变频器故障诊断软件系统，对各功能模块进行 了详细介绍，并对实验结果进行分析。 第四章，采煤机机械故障诊断系统。首先通过对采煤机齿轮和轴承的故障诊 断机理进行剖析，分析出现故障现象时对应的振动特征，最后详细介绍了常用的 振动分析方法。 第五章，采煤机齿轮与轴承的故障诊断实验设计。对实验系统软、硬件进行 了详细介绍，并详细阐述了实验步骤与实验中注意的问题，最后对实验结果进行 了分析。 第六章，总结与展望。对本文中所做内容进行了总结，对实验中出现的问题 进行概括，并提出进一步的完善措施。 1 5 本章小结 本章介绍了采煤机故障诊断系统课题研究的意义。分析了国内外相关技术的 研究现状，并对目前主要诊断方法存在的问题进行了讨论，提出基于虚拟仪器技 术的故障诊断技术。介绍了论文研究的主要内容。 6 第2 章采煤机结构及其故障形式 2 采煤机结构及其故障形式 2 1 采煤机结构 采煤机是机械化采煤作业的主要设备，其功能主要是落煤和装煤。现以双滚 筒采煤机为例，说明其组成。它主要是由电动机、牵引部、截割部和附属装置组 成。电动机是滚动采煤机的动力部件，通过输出轴和齿轮传动分别驱动两个截割 部和牵引部。采煤机的电动机都是防爆的，而且通常都是采用定子水冷，以缩小 电动机的尺寸。牵引部通过其主动链轮与固定在工作面输送机两端的牵引链相啮 合，使采煤机沿工作面移动，因此，牵引部是采煤机的行走机构。左、右截割电 动机的动力经摇臂齿轮减速箱后传给滚筒，驱动滚筒旋转。滚筒是采煤机落煤和 装煤的工作机构，滚筒上焊有端盘及螺旋叶片，其上装有截齿。螺旋叶片将截齿 割下的煤撞到刮板输送机中。为提高螺旋滚筒的装煤效果，滚筒一侧装有弧形挡 煤板，它可以根据不同的采煤方向来回翻转1 8 0 。底托架是固定和承托整台采煤 机的底架，通过其下部四个滑靴将采煤机骑在板输送机的槽帮上，其中采空区侧 两个滑靴套在输送机的导向管上，以保证采煤机的可靠导向。底托架内的调高油 缸可使摇臂连同滚筒升降，以调节采煤机的调高。调斜油缸用于调整采煤机的纵 向倾斜度，以适应煤层沿走向起伏不平时的截割要求。电气控制元件用于采煤机 的各种电器控制和保护。 此外，为降低电动机和牵引部的温度并提供内外喷雾降尘用水，采煤机设有 专门的供水系统。采煤机的电缆和水管央持在拖缆装置内，并由采煤机拉动在工 作面输送机的电缆槽中卷起或展开。 现以双滚筒采煤机为例，说明其组成。它主要由电动部、牵引部、截割部和 附属装置等部分组成，如图1 所示川。 图l 双滚筒采煤机 f i g ld o u b l e - d r u ms h e a r e r 7 一 安徽理：j ：人学硕士学位论文 2 1 1 采煤机牵引部 采煤机牵引部担负着移动采煤机，使工作机构连续落煤或调动机器的任务。 牵引部包括牵引机构及传动装置。牵引机构是直接移动机器的装置，分为彳j 链牵 引和无链牵引两种类型。传动装置用来驱动牵引机构并实现牵引速度的调节。传 动装置有机械传动、液压传动和电传动等类型，分别称为机械牵引、液压牵弓i 和 电牵引【7 引。 1 ) 机械牵引 机械牵引是指全部采用机械传动装置的牵引部。其特点是工作可靠，但只能 有级调速，结构复杂，目前很少采用。 2 ) 液压牵引 液压牵引是利用液压传动来驱动的牵引部。液压传动的牵引部可以实现无级 调速，变速、换向和停机等操作比较方面，保护系统比较完善，并且能随负载变 化自动地调节牵引速度。 3 ) 电牵引 电牵引采煤机是专门驱动牵引部的电动机调速从而调节牵引速度的采煤机。 牵引传动箱有两个，分别装在底托架两端的采空区侧，牵引传动箱中的电机将动 力分别通过齿轮传给二级齿轮减速器，最后由行星架输出，传给行走箱内的驱动 滚轮，滚轮与行走轮相啮合，而行走轮又与固定在输送机采空区侧槽榜上的齿条 啮合，从而使采煤机沿工作面全长移动。 2 1 2 采煤机截割部 截割部是采煤机直接落煤、装煤的部分，其消耗的功率约占整个采煤机功率 的8 0 - - 9 0 。落煤部分包括工作机构及其传动装置，工作机构是指滚筒和安装 在滚筒上的截齿，而传动装置是指固定减速箱、摇臂齿轮箱，有时还包括滚筒内 的按动装置。 1 ) 螺旋滚筒 螺旋滚筒是采煤机落煤和装煤的机构，对采煤机工作起决定性作用。螺旋滚 筒由螺旋叶片、端盘、齿座、喷嘴、筒毂及截齿等部分组成。 2 ) 截割部传动装置 截割部传动装置的功用是将电动机的动力传递到滚筒上，以满足滚筒工作的 需要。同时，传动装置还要适应滚筒调高的要求，使滚筒保持适当的工作高度。 8 第2 章采煤机结构及其故障形式 由于截割消耗采煤机总功率的8 0 - - 9 0 因此要求截割部传动装置具有高的强 度、刚度和可靠性，良好的润滑密封、散热条件和高的传动效率。 3 ) 传动润滑 采煤机截割部传动的功率大，转动件的负载很大，还受冲击。因此传动装置 的润滑十分重要。最常用的方法是飞溅润滑。 2 1 3 采煤机电气部分 采煤机的电气部分主要由隔爆三相异步电动机、隔离丌关、中间箱、集中控 制箱、电缆等组成。目前广泛使用的电牵引采煤机还包括变频装置等。电气部分 主要为采煤机提供动力源，并且对采煤机的启动、停止进行控制，对电动机及液 压系统的超温、过载、断相、过流等进行保护。 2 1 4 采煤机附属装置 1 ) 底托架 采煤机的底托架是支撑采煤机整个机体的一个部件。采煤机的电动机、截割 部和牵引部在底托架上组成为一个整体，并且用螺栓固定在底托架上，通过底托 架下的四个滑靴骑在工作面输送机上。 2 ) 喷雾降尘装置 喷雾降尘是用喷嘴把压力水高度扩散，使其雾化，形成将粉尘源与外界隔离 的水雾。雾化水能拦截飞扬的飞尘而使其沉降，并能冲淡瓦斯、冷却截齿、润湿 煤层和防止截割火花等作用。 3 ) 挡煤板及其翻转装置 在螺旋滚筒后面设置挡煤板，可以提高装煤效果，减少浮煤量及抑制煤尘飞 扬。 2 2 采煤机工作原理及其工作方式 2 2 1 采煤机的工作原理1 采煤机割煤是通过螺旋滚筒上的截齿对煤壁进行切割实现的。采煤机装煤是 通过滚筒螺旋叶片的螺旋面进行装载的，将从煤壁上切割下的煤运出，再利用叶 片外缘将煤抛到刮板输送机溜槽内运走。 单滚筒采煤机的滚筒如图2 ( a ) 、2 ( b ) 的滚筒一般位于采煤机下端，以使滚筒 9 安徽理t 大学硕士学位论文 割落下的煤不经机身下部运走，从而可降低采煤机机面( 由底板到电动机上表面) 高度。单滚筒采煤机上行工作如图2 ( a ) 时，滚筒割顶部煤并把落下的煤装入刮板 输送机，同时跟机悬挂铰接顶梁，割完工作面全长后，将弧形挡煤板翻转1 8 0 。； 接着，机器下行工作如图2 ( b ) ，滚筒割底部煤及装煤，并随之推移刮板输送机。 这种采煤机沿工作面往返一次进一刀的采煤法叫单向采煤法。 双滚筒采煤机如图2 ( c ) t 作时，前滚筒割顶部煤，后滚筒割底部煤。因此， 双滚筒采煤机沿工作面牵引一次，可以进一刀：返回时，又可以进一刀，即采煤 机往返一次进二次刀，这种采煤法称为双向采煤法。 【f i 图2 滚筒采煤机的工作原理 f i g zw o r k i n gp r i n c i p l eo fd r u ms h e a r 2 2 2 采煤机工作方式1 1 2 , 1 3 1 按机械化程度的不同，机械化采煤工作面可以分为普通机械化采煤工作面和 综合机械化采煤工作面，简称普采工作面和综采工作面。工作面布置如图3 所示。 1 0 第2 章采煤机结构及其故障形式 | - - 5 刮板装载机 5 刮板装载机 图3 机械化采煤工作面 f i 9 3w o r k i n gf a c eo fm e c h a n i z e dm i n i n gc o a l 普通机械化采煤工作面设备布置如图3 ( a ) 所示，通常由单滚筒采煤机1 、可 弯曲刮板输送机、金属支柱或单体液压支柱3 和铰接顶梁配置，在长壁采煤工作 面进行落煤、装煤、运煤和支柱等几个主要采煤工序。 普采工作面的采煤工艺过程如下： 1 ) 采煤机的滚筒进入下缺e l ，然后由下向上采煤： 2 ) 随采煤机之后，清理顶煤、挂项梁： 3 ) 在采煤机后面清出新机道，并在距采煤机1 0 - 1 5m 处开始推移刮板输送 机； 4 ) 当输送机移到新机道上后，在悬挂的顶梁下面支撑金属支柱或单体液压支 柱。 综采工作面的配套设备如图3 ( b ) 。通常由双滚筒采煤机l 、可弯曲刮板输送 机2 及液压支架4 等主要设备组成。 综采工作面的采煤工艺过程如下： 1 ) 采煤机自工作面一端开始向另一端采煤； 2 ) 随着采煤机向前牵引，紧接着移动液压支架，以便及时支护顶板； 3 ) 在采煤机后面一定距离处，推移工作面刮板输送机。 2 3 采煤机常见故障 2 3 1 采煤机电气部分故障 1 ) 采煤机变频器故障产生机理 安徽理 ：a 学硕十学似论文 本文主要针对皖北煤电集i i i 所用采煤机变频器( 东洋v f 6 4 ) 其内部电路结构 如罔3 ，从v f 6 4 变频器的结构图中可以看出，变频器各个部分分别利用螺钉进 行固定未经改造的变频器周定点较少。各种电路之间通过接插头进行连接，未 加其它特殊的词定措施。变频器本身通过六个风扇进行强制冷却。该变频器用于 地面普通应用环境，完全可以保证变频器的顺利运行。将变频器麻用于采煤机控 制中，其工作环境发生变化，大大偏离变频器的基本j 二作要求因此故障率急剧 提岛，其故障产生机理主要有以f i 种： 图3v f 6 4 内部电路结构图 f 1 9 3s t r b g t b r dp a t t e r no f v f 6 4i n - c i r c u i t ( 1 ) 采煤机振动引起的变频器故障 采煤机振动超过变频器要求是使变频器产牛故障的主要原因。在采煤机上， 由十果煤彳_ r l k 特殊的要求、聚煤机结构的限制和变频器散热冷却措施的需要， v f 6 1 6 4 变频器必须安装在防爆腔晕并刚性崮定往采煤机机体卜。肖采煤机采煤 时，截割头产牛的振动通过采煤机机体、防爆腔传递到变频器卜。当采煤机振动 的频率和幅值超过变频器各个组件能够承受的范嗍时，有以r 几个原凶会造成变 频器产生故障： 变频器电路板脱离固定位置，螺钉脱落：由于变频器主控电路板和驱动板 ( 如图4 所示) 面积较大，水平放置，而且固定点较少。当变频器箱体振动时，并 电路板的固定螺钉根容易松动，甚至脱落，引起电路板脱落，间接导致电路短路、 断路等故障。 第2 章采煤机结构及其故障形式 图4 变频器驱动板 f 1 9 4g o n v e r t e t d r i v e b o a r d 1 印刷电路板断路：由于变频器t 控电路板和驱动板的印刷电路板通常为三 层，各层问连线较细。当变频器箱体振动时，如果电路板振幅超过其抗振极限， 其内部连线出现断裂，导致印刷电路板断路，如图5 所示。 图5 变频器印刷电路板 f i 9 5 州n t e dp l a t e o f c o n v e r t e r 电路板卜元器件f 比如大电容，电阻等1 松动或脱落：由于荐器件固定点较 少，电容等器件面积较大，当受到较大的振幅时，备器件的引脚容易出现断裂、 脱落，导致7 j 器件的损坏和t 乜辟的接触不良，如图6 所示。 安徽理1 人学硕+ 学位论文 图6 变频器元器件图 f i 9 6c h a r t o f c o n v e r t e rc o m p o n e n t s 接插件接触不良：各电路板之问的通讯、驱动板与并执行元件( 如风扇等) 之u j 的信号传输主要足通过接插件米完成。变频器箱体振动时，接捅件之间的 问隙受到电线的不间断拉扯而变大，从而导致其接触小良。 图7 蛮频器连线图 f i 9 7 w i r ec h a r t o f c o a v e r i e r f 2 1 由于防潮措施不够引起的变频器故障 可样采煤机工作存地r 1 作环境恶劣粉坐浓度高、空气湿度高。变频器 安装在防爆腔内，而防爆腔由于设计的要求，在结构上存在问隙。另外防爆腔通 过水冷系统进行对变频器辅助散热。因此山丁防潮措施不够引起的变频器故障t 要原因有： 当防爆腔的密封系统破损时，外血高湿度的空气进入腔体使各种电路产 牛短路、腐蚀、7 件损坏( 如电容、 乜阻等器件) 等现象，使变频器产生故障。 第2 章采煤机结构及其故障形式 当防爆腔的水玲系统管道产生裂纹或破损时，冷却水进入防爆腔内部。而 变频器直接安装在防爆腔内部，没有辅助的防水设施，导致冷却水进入变频器内 部，引起屯路短路、电路板烧坏等故障。 ( 3 ) 由于散热不畅引起的变频器故障 变频器原先通过六个风扇进行空冷。当其工作在地面普通环境时完全可以满 足变频器的散热要求。在采煤机上，变频器必须安装在防爆腔里工作，改变了变 频器的通风环境。使变频器工作产生的热量无法及时的排放到外面。采煤机防爆 腔采用了水冷辅助措施，使其正常工作时可以满足变频器的散热要求，但变频器 工作环境温度也比在地面工作环境温度要高许多。因此由于散热不畅引起的变频 器故障原因主要有： 变频器风冷风扇发生故障。当变频器风冷电扇的电线由于振动脱落或损 坏、变频器驱动板产生故障时，变频器风冷电扇停止运转，导致变频器的工作环 境温度和电路板环境温度急剧上升，超过了变频器的额定工作温度范围，最后导 致变频器发生故障，如图8 所示。 围8 变频器冷却风扇图 f i 9 8c h a r to f c o n v e r t e r c o o l i n g f a n 采煤机防爆腔水冷系统发生故障时，如管道出现堵塞、管道腐蚀漏水、供 水量不足，变频器工作时产生的热量无法及时排放到外面，积聚在防爆腔内部， 使变频器工作环境温度上升超过了变频器额定工作范围，促使变频器产生故障。 2 ) 变频器常见故障类型 ( 1 ) 变频嚣过温。故障原园为：变频器工作的环境温度过高，导致变频器的散 热器温度超过报警电平，将使调制脉冲的丌关的频率降低或者输出频率降低。 ( 2 ) 过电流放障。其表现为过电流或_ e 回路功率模块过热。这是较常见的故障， 町以是短路、接地、过负载、负载突变、变频器内部故障等。分类如下： 安徽理工人学硕十学位论文 电源电压超限或缺相。 负载过重或负载侧短路。电动机内部和电动机电缆绝缘破坏，造成匝间或 相间的对地短路，因而导致过流。 变频器设定值不适当。一是电压频率特性曲线中电压提升大于频率提升， 造成低频高压而过流。二是加速时间设定过短，需要加速转矩过大而造成的过流。 三是减速制动时间设定过短，机组迅速再生发电回馈给中间回路，造成中间回路 电压过高和制动回路过流。 检测信号有误。当变频器控制系统中速度反馈信号丢失或非正常时会引起 过电流，另外外部控制信号线断线或传感器故障也会引起过流。 振荡过流。一般只在某转速( 频率) 下运行时发生。主要原因有两个：一是 电气频率与机械频率发生共振；二是纯电气回路所引起，如功率开关管的死区控 制时间，电动机滞后电流的影响及外界干扰的干扰等。 ( 3 ) 过电压限幅。故障原因为： 由于变频器达到了过电压限幅值或者当变频器斜坡下降时如果其直流回路 控制无效，可能出现过电压限幅。 ( 4 ) 欠电压限幅。故障发生的主要原因： 由于电网的供电电源发生故障，或者供电电源电压和与之相对应的直流回 路电压低于规定的限定值。 变频器使能动态缓冲。 ( 5 ) 变频器的工作停止周期故障。故障原因为：散热器温度与i g b t 的结温之 差超过了报警的限定值。 ( 6 ) 电动机温度信号丢失。故障原因为： 负载电动机的温度传感器的信号线发生断线o ( 7 ) f u 快速熔断器故障。 在现行推出的变频器大多都有快熔故障检测功能。它主要是对快熔前、后的 电压进行采样检测，当快熔损坏以后必然会出现快熔一端电压没有，此时隔离光 耦动作，出现f u 报警。 ( 8 ) s c 短路故障。故障原因为：可能由于变频器内部线路发生短路。 2 ) p l c 部分故障 ( 1 ) c p u 装置和f o 扩展装置出现故障： p o w e r l e d 灯不亮。可能原因是电压切换端子设定不当。 r u n l e d 灯不亮。原因主要是程序错误；电源线路不亮；f o 单元号重 1 6 第2 章采煤机结构及其故障形式 复。 ( 2 ) 输入单元出现故障： 输入全部不接通( 动作指示灯也灭) 。原因可能是未加外部输入电势；外部 输入电压低。 特定继电器编号的输入不接通。可能原因是输入器件不良；输入配线断线； 端子螺钉松弛。 ( 3 ) 输出单元出现故障： 输出全部不接通。原因可能是未加负载电源；负载电源电压低。 特定继电器编号的输出不接通( 动作指示灯亮) 。可能原因是输出配线断线； 输出器件不良；端子螺钉松动。 2 3 2 采煤机机械部分故障6 1 7 t 1 8 】 1 ) 轴承出现故障 电牵引采煤机的牵引部和截割部分分别有各自的电动机驱动，中间经过多级 齿轮减速增大转矩。尽管设计之初已考虑使用条件，但由于具体工作环境的不同 造成轴承故障频发。经常出现故障的部位，主要有以下几种：1 ) 最容易出现的是 采煤机牵引行走链轮，由于负荷大、载荷不均，发生支承轴承磨损或滚动体破裂 等情况。它的严重损坏会影响到链轮轴、链轮及与其相啮合的其它零件，进而导 致其它零件的损伤。2 ) 采煤机摇臂频繁升降，润滑状况较差，各传动轴受力大且 不均衡，致使此部位轴承经常发生故障。3 ) 润滑系统发生污染、润滑不良、轴承 安装不正、载荷较大时，与轴承相配合的轴、支承座发生变形等，均会导致轴承 发生故障。4 ) 设计、制造等方面的问题和轴承本身的缺陷等，也会对轴承的使用 和寿命产生影响。 滚动轴承失效的形式较多，故障种类有磨料、剥落、压痕、胶合和裂纹等， 其中典型故障是由疲劳剥落引起的损伤。 ( 1 ) 点腐蚀。点腐蚀是金属表面缺陷、疏松以及夹渣等产生微电池作用的结果。 点腐蚀呈圆形，周围没有裂纹，能够向深处扩展，甚至穿透金属，引起应力集中 并且在高接触应力下导致表面剥落，造成轴承失效。 ( 2 ) 疲劳失效。疲劳失效是各类轴承表面常见的失效形式之一，是金属在交变 载荷的长期作用下而产生的失效，主要表现为疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂的过 程。裂纹的产生有两种方式：从表面产生，即在滚动轴承的接触过程中，因外 载的作用在工作表面引起周期性变化的接触应力，在表层产生塑料变形和形变硬 1 7 安徽理工大学硕十学位论文 化，最后在工作表面出现微小裂纹，由表面向里发展，在该裂纹形成的两个表面 之间，由于润滑剂的楔入，使裂纹壁受力张开，迫使裂纹向前发展；裂纹从农 层产生，即在表面接触应力的反复作用下，裂纹最初产生于接触表面有一定深度 之后，并顺着与表面有一定角度的方向发展，达到距表面某一深度之后，又越出 到表面上来，最后形成麻点剥落，在接触表面上遗留一个个麻坑。 ( 3 ) 磨损失效。磨损是滚动轴承常见的一种失效形式。当外界硬粒等磨料进入 轴承滚道、滚动体、座孔或安装轴承的轴颈的工作表面，负载工作情况下，这些 工作表面会发生磨损。 ( 4 ) 滚动轴承的压痕失效。压痕是由于轴承过载、撞击或异物进入滚道内使得 滚动体或滚道表面产生局部变形而出现的凹坑。主要由于装配不当，有时也可能 是过载或撞击造成。 ( 5 ) 滚动轴承的断裂失效。轴承零件的破裂与裂纹主要是由于磨损或热处理引 起的，也有的是由于运行时载荷过大、转速过高、润滑不良或装配不善，产生过 大的热应力引起。 2 ) 齿轮出现故障 齿轮箱是各类机械的变速传递部件。造成齿轮箱故障的原因，主要是由于设 计不当，制造不良和维护操作不善引起的。因此要提高齿轮箱运行的可靠性，在 改进设计、制造和装配质量的同时，要提高运行维护水平。 常见的齿轮失效形式有四种：即断裂、磨料磨损、粘附磨损或擦伤、以及疲 劳剥落。 ( 1 ) 断裂和磨料失效。齿轮承受载荷，如同悬臂梁，其根部的弯曲应力最大。 由于过载，特别是冲击载荷，会引起整个齿与其相应部分断裂。当周期性的应力 过高时，也会引起疲劳断裂。当轮齿工作面间有金属微粒、金属氧化物或其他磨 料存在时，会引起磨料磨损。这些外界的硬粒，开始时先嵌入一个工作面，然后 从另一个工作面上撕下金属。通常只有在润滑油中央杂有直径在3 0 o n 以上的磨 料时，齿轮才会在运行中引起磨料磨损。 ( 2 ) 齿面引起粘附磨损或擦伤失效。这种擦伤是两个啮合的齿面在相对滑动时 油膜破裂，在摩擦和表面压力的作用下产生高温，使接触区内的金属局部熔焊继 之以撕裂的现象。在齿面的滑动方向上可以看到粗糙的、高低不平的条纹，严重 时可以看到表面层熔化的迹象。一般，润滑油粘度过低、转速过低、运行温度过 高、齿面上单位面积载荷过大、相对滑动速度过高、以及接触面积过小，均会使 油膜易于破裂而造成齿面擦伤。 1 8 第2 章采煤机结构及其故障形式 ( 3 ) 齿面剥落失效。当齿面的接触应力超过材料允许的疲劳极限时，在表面层 开始产生微细的裂纹，继之由小块剥落扩大造成整块剥落，当剥落的面积不断增 大时，齿面上剩余的有效工作面积无法再继续承担外部载荷，从而使整个齿产生 断裂。 ( 4 ) 齿面疲劳裂纹失效。齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动。 因此齿面的疲劳裂纹是由于两种应力综合作用的结果。在滚动中，齿面接触区内 的正压力使表面层深处产生剪应力，当此剪应力最大值超过材料的强度极限时， 开始出现裂纹。另一方面，齿面的相对滑动，又会使表面产生拉应力。 2 3 3 采煤机液压部分故障 采煤机液压系统是整个系统故障率最高的部分。采煤机牵引部液压系统有自 动调速、过载保护等装置，但不可避免发生故障。其发生故障的原因、现象和故 障部位及相互关系很复杂，不易被及时发现和准确诊断；并且在煤矿井下工作环 境很差，也不易将液压系统拆开来检查，以免发生系统的二次污染。液压系统故