CN113155443A - 一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统及方法，涉及状态监测与故障诊断技术领域。本发明数据包括数据采集系统以及计算机软件系统；所述计算机软件系统包括数据处理系统、结果判断系统、综合分析系统、剩余寿命估算系统以及结果整合输出及储存系统，可实时向操作人员反馈采煤机减速器润滑油各种参数、各零件健康状态、剩余寿命以及故障信息等，能及时准确地完成诊断工作，降低了人工参与度与设备停机时间，提高了采煤机经济效应及自动化程度，为智能化矿山发展提供了保证。

Description

一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及状态监测与故障诊断技术领域，尤其涉及一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统及方法。

背景技术

传统采煤方法已逐步被淘汰，智能化综合采煤技术已变得越来越先进，但由于某些方面技术限制导致采煤机减速器状态监测与故障诊断必须人工直接参与，这就使得实现“无人矿山”变得更加困难。由于采煤机工作面比较危险，人工直接参与会导致一定的安全隐患，同时由于井下环境复杂，凭借人工完成状态监测与故障诊断有时是十分困难。再者，人工故障诊断过程需要停机，将导致煤炭产量的减少。实际表明，机械零部件在整个使用过程中其润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值等各种特征将出现阶段性的变化，所以通过监测润滑油各种特征能间接得知设备、装置以及零部件健康情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统及方法，通过在采煤机减速器内部安装油液监测装置，实时向计算机反馈监测结果，实现润滑油状态的实时监测，并将监测结果输入到故障诊断系统中，将监测数据通过一系列处理最终通过与预先输入的数据进行比对后，输出诊断结果，实现采煤机减速器润滑油液的无人化实时在线监测与故障诊断。

本发明的技术方案为，

一方面，一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统，包括数据采集系统以及计算机软件系统；所述计算机软件系统包括数据处理系统、结果判断系统、综合分析系统、剩余寿命估算系统以及结果整合输出及储存系统。

所述数据采集系统包括润滑油温度传感器、粘度计、油液颗粒传感器、颗粒粒度分析仪及酸碱PH值传感器，其中颗粒粒度分析仪安装于减速器油箱侧面油液液面中部，两侧各一个、油液颗粒传感器安装于齿轮啮合处下方油箱地面1/3液面高度处、酸碱PH值传感器与粘度计置于低速级齿轮下方油液液面以下、温度传感器安装于各齿轮及齿轮啮合处下方油液液面以下，以上各传感器嵌入减速器油箱内部,用于对采煤机减速器内润滑油的温度、粘度、颗粒数、颗粒分布及PH值进行实时监测，数据采集系统输出端通过数据线连接至计算机，输入至数据处理系统；

所述数据处理系统包括第一数据处理系统以及第二数据处理系统，第一数据处理系统接收数据采集系统传回的数据，对数据进行滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算处理得到油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值r₁、r₂、r₃、r₄；

所述第二数据处理系统用于重新进行数据滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算以及参数r₁、r₂、r₃、r₄关联分析、异常分析和特异群组分析；

所述数据处理系统输出数据传输至结果判断系统；所述结果判断系统用于判断油液各参数是否正常，判断油液各参数是否需要复检，判断减速器是否发生故障；结果判断系统输出数据传输至综合分析系统；

所述综合分析系统用于完成基本统计图形的绘制、数据的正态化处理及数据追踪工作，结合人工输入的数据以及设备运行过程系统储存的历史数据对监测结果进行实时综合分析，通过各零部件处润滑油参数数据利用故障树模型确定零件综合数值，判断采煤机减速器零部件是否发生故障；

所述故障树模型为，依次设油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值为r₁、r₂、r₃、r₄，相应权重为μ₁、μ₂、μ₃、μ₄，零件实时综合数值为F，有：

结果综合分析系统输出的综合数值传输至剩余寿命估算系统；所述剩余寿命估算系统根据预先的健康数据与本系统工作时所储存历史数据，利用时间及对应实时数据，在系统中形成相应二维图，进而利用图线趋势通过对比实时数据与零部件发生故障时的标准的差距估算减速器剩余寿命；

所述结果整合输出及储存系统用于整合处理所有结果数据，完成结果数据的输出及储存；经过整合操作后将监测结果输出到计算机显示屏上，根据监测结果控制采煤机启停。

另一方面，一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断方法，通过前述一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统实现，具体包括以下步骤：

步骤1：系统运行前，先将减速器各零件健康、异常、故障状态下健康数据以及预先设定的标准A、B、C输入到计算机软件系统中；

所述标准A为润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值正常工作情况下的数值；标准B为出现异常现象，具体包括：润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值各个参数异常及t₁-t₂时间段综合数值f₁大于t₂-t₃时间段内综合数值f₂，监测结果不符合曲线连续性；标准C为零部件发生故障时的综合数值F'，这里有：

步骤2：采煤机减速器工作过程中，数据采集系统对油液各特征参数进行实时采集，通过数据线将模拟信号输出到计算机的AD板卡，AD板卡将模拟量转换为数字量成为计算机识别的数据，并传输到第一数据处理系统；

步骤3：第一数据处理系统对数据进行滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算处理得到油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值r₁、r₂、r₃、r₄；

步骤4：结果判断系统通过读取第一数据处理系统输入的数据与预先设置的润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值范围进行比对；

当r₁、r₂、r₃、r₄符合标准A时，此时结果整合输出及储存系统输出润滑油参数正常，数据直接通过结果整合输出及储存系统输出及储存；

当不符合标准A时，数据将会自动与标准B比对；此时当数据符合标准B时，数据会传输到第二数据处理系统进行数据重新处理，完成参数r₁、r₂、r₃、r₄关联分析、异常分析和特异群组分析；重新处理后的数据再次输入到结果判断系统中与标准A进行比较，若符合标准A此时结果整合输出及储存系统输出润滑油参数正常，数据直接通过结果整合输出及储存系统输出及储存；若仍不符合标准A将不再判断是否属于标准B，输入综合分析系统综合分析系统按照数据不符合标准B时的方法完成数据处理，结合人工输入的数据以及设备运行过程系统储存的历史数据对监测结果进行实时综合分析，通过各零部件处润滑油参数数据利用故障树模型确定零件综合数值f；

当数据不符合标准B时，数据输入综合分析系统进行信息关联、误警剔除、数值整合、综合数值统计图形的绘制、数据的正态化处理处理，当所得结果符合标准C时，剩余寿命估算系统进行剩余寿命估算最终输出减速器部位异常，剩余寿命，当所得结果不符合标准C时，结果整合输出及储存系统输出减速器部位故障，采煤机停机。

采用上述技术方法所产生的有益效果在于：

本发明的采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统及方法利用润滑油监测系统和故障诊断系统对采煤机减速器工况进行实时监测以及相应部位的故障诊断，降低故障诊断工作人工参与度，减少诊断过程停机时间，提高诊断结果准确性；由于采用一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统及方法能够实时输出采煤机减速器具体情况以及剩余寿命，直接避免了由于人工监测诊断过程中的过监测与过诊断，极大提高采煤机的使用率；再者，由于润滑油各种参数数据繁多，人工监测时间周期长，极易出现由于主观原因影响最终结果，无法保证监测的实时性与准确性，且不能准确权衡各参数对具体零件失效的表现程度，利用采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统及方法可以利用采集润滑油特征数据综合分析采煤机健康状况，有效解决了人工监测与诊断效率低、周期长、人工成本高、可靠性差等缺点。

附图说明

图1为本发明为本发明中润滑油状态监测与故障诊断系统程序框图；

图2为本发明中监测与诊断方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的技术方案为，

一方面，一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统，包括数据采集系统以及计算机软件系统；所述计算机软件系统包括数据处理系统、结果判断系统、综合分析系统、剩余寿命估算系统以及结果整合输出及储存系统，如图1所示。

所述数据采集系统包括润滑油温度传感器、粘度计、油液颗粒传感器、颗粒粒度分析仪及酸碱PH值传感器；

本实施例中润滑油温度传感器采用防水螺纹探头热电偶传感器，粘度计采用华控HSTL-ND在线粘度计、油液颗粒传感器采用MPS300油液金属颗粒传感器、颗粒粒度分析仪采用全自动油液颗粒度分析仪及酸碱PH值传感器采用Rs485在线pH计pH测试仪，其中颗粒粒度分析仪安装于减速器油箱侧面油液液面中部，两侧各一个、油液颗粒传感器安装于齿轮啮合处下方油箱地面1/3液面高度处、酸碱PH值传感器与粘度计置于低速级齿轮下方油液液面以下、温度传感器安装于各齿轮及齿轮啮合处下方油液液面以下，以上各传感器嵌入减速器油箱内部,用于对采煤机减速器内润滑油的温度、粘度、颗粒数、颗粒分布及PH值进行实时监测，数据采集系统输出端通过数据线连接至计算机，输入至数据处理系统；

所述数据处理系统包括第一数据处理系统以及第二数据处理系统，第一数据处理系统接收数据采集系统传回的数据，对数据进行滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算处理得到油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值r₁、r₂、r₃、r₄；

所述第二数据处理系统用于重新进行数据滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算以及参数r₁、r₂、r₃、r₄关联分析、异常分析和特异群组分析；

所述数据处理系统输出数据传输至结果判断系统；所述结果判断系统用于判断油液各参数是否正常，判断油液各参数是否需要复检，判断减速器是否发生故障；结果判断系统输出数据传输至综合分析系统；

所述综合分析系统用于完成基本统计图形的绘制、数据的正态化处理及数据追踪工作，结合人工输入的数据以及设备运行过程系统储存的历史数据对监测结果进行实时综合分析，通过各零部件处润滑油参数数据利用故障树模型确定零件综合数值，判断采煤机减速器零部件是否发生故障；

所述故障树模型为，依次设油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值为r₁、r₂、r₃、r₄，相应权重为μ₁、μ₂、μ₃、μ₄，零件实时综合数值为F，有：

结果综合分析系统输出的综合数值传输至剩余寿命估算系统；所述剩余寿命估算系统根据预先的健康数据与本系统工作时所储存历史数据，利用时间及对应实时数据，在系统中形成相应二维图，进而利用图线趋势通过对比实时数据与零部件发生故障时的标准的差距估算减速器剩余寿命；例如：当最后一取样时间段曲线斜率为k，记此时标准C对应的综合数值为c，实时综合数值为F，利用一次函数法估计具体寿命计算公式为L＝|c-f|/k。

所述结果整合输出及储存系统用于整合处理所有结果数据，完成结果数据的输出及储存；经过整合操作后将监测结果输出到计算机显示屏上，根据监测结果控制采煤机启停。

另一方面，一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断方法，如图2所示，通过前述一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统实现，具体包括以下步骤：

步骤1：系统运行前，先将减速器各零件健康、异常、故障状态下健康数据以及预先设定的标准A、B、C输入到计算机软件系统中；

所述标准A为润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值正常工作情况下的数值；标准B为出现异常现象，具体包括：润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值各个参数异常及t₁-t₂时间段综合数值f₁大于t₂-t₃时间段内综合数值f₂，监测结果不符合曲线连续性；标准C为零部件发生故障时的综合数值F'，这里有：

步骤2：采煤机减速器工作过程中，数据采集系统对油液各特征参数进行实时采集，通过数据线将模拟信号输出到计算机的AD板卡，AD板卡将模拟量转换为数字量成为计算机识别的数据，并传输到第一数据处理系统；

步骤3：第一数据处理系统对数据进行滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算处理得到油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值r₁、r₂、r₃、r₄；

步骤4：结果判断系统通过读取第一数据处理系统输入的数据与预先设置的润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值范围进行比对；

当r₁、r₂、r₃、r₄符合标准A时，此时结果整合输出及储存系统输出润滑油参数正常，数据直接通过结果整合输出及储存系统输出及储存；

当不符合标准A时，数据将会自动与标准B比对；此时当数据符合标准B时，数据会传输到第二数据处理系统进行数据重新处理，完成参数r₁、r₂、r₃、r₄关联分析、异常分析和特异群组分析；重新处理后的数据再次输入到结果判断系统中与标准A进行比较，若符合标准A此时结果整合输出及储存系统输出润滑油参数正常，数据直接通过结果整合输出及储存系统输出及储存；若仍不符合标准A将不再判断是否属于标准B，输入综合分析系统综合分析系统按照数据不符合标准B时的方法完成数据处理，结合人工输入的数据以及设备运行过程系统储存的历史数据对监测结果进行实时综合分析，通过各零部件处润滑油参数数据利用故障树模型确定零件综合数值f；

当数据不符合标准B时，数据输入综合分析系统进行信息关联、误警剔除、数值整合、综合数值统计图形的绘制、数据的正态化处理处理，当所得结果符合标准C时，剩余寿命估算系统进行剩余寿命估算最终输出减速器部位异常，剩余寿命，当所得结果不符合标准C时，结果整合输出及储存系统输出减速器部位故障，采煤机停机。

本实施例中将标准预先输入到本系统中，首先完成润滑油油液各特征参数监测工作，其次通过综合分析系统综合分析处理监测结果进而完成故障诊断工作。通过综合分析系统将润滑油监测系统与故障诊断系统完美结合，人工参与度达到最低，最大程度上降低人工成本与劳动强度，避免了人工直接参与监测与诊断存在的各种问题。为采煤机自动化、无人化及“智能矿山”这个倡导开创了一种新思路。

Claims (4)

1.一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统，其特征在于，包括数据采集系统以及计算机软件系统；所述计算机软件系统包括数据处理系统、结果判断系统、综合分析系统、剩余寿命估算系统以及结果整合输出及储存系统；

所述数据采集系统包括润滑油温度传感器、粘度计、油液颗粒传感器、颗粒粒度分析仪及酸碱PH值传感器，其中颗粒粒度分析仪安装于减速器油箱侧面油液液面中部，两侧各一个；油液颗粒传感器安装于齿轮啮合处下方油箱地面1/3液面高度处、酸碱PH值传感器与粘度计置于低速级齿轮下方油液液面以下、温度传感器安装于各齿轮及齿轮啮合处下方油液液面以下，以上各传感器嵌入减速器油箱内部,用于对采煤机减速器内润滑油的温度、粘度、颗粒数、颗粒分布及PH值进行实时监测，数据采集系统输出端通过数据线连接至计算机，输入至数据处理系统；

所述数据处理系统包括第一数据处理系统以及第二数据处理系统，第一数据处理系统接收数据采集系统传回的数据，对数据进行滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算处理得到油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值r₁、r₂、r₃、r₄；

所述第二数据处理系统用于重新进行数据滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算以及参数r₁、r₂、r₃、r₄关联分析、异常分析和特异群组分析；

所述数据处理系统输出数据传输至结果判断系统；所述结果判断系统用于判断油液各参数是否正常，判断油液各参数是否需要复检，判断减速器是否发生故障；结果判断系统输出数据传输至综合分析系统；

所述综合分析系统用于完成基本统计图形的绘制、数据的正态化处理及数据追踪工作，结合人工输入的数据以及设备运行过程系统储存的历史数据对监测结果进行实时综合分析，通过各零部件处润滑油参数数据利用故障树模型确定零件综合数值，判断采煤机减速器零部件是否发生故障；

结果综合分析系统输出的综合数值传输至剩余寿命估算系统；所述剩余寿命估算系统根据预先的健康数据与本系统工作时所储存历史数据，利用时间及对应实时数据，在系统中形成相应二维图，进而利用图线趋势通过对比实时数据与零部件发生故障时的标准的差距估算减速器剩余寿命；

所述结果整合输出及储存系统用于整合处理所有结果数据，完成结果数据的输出及储存；经过整合操作后将监测结果输出到计算机显示屏上，根据监测结果控制采煤机启停。

2.根据权利要求1所述的一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统，其特征在于，所述故障树模型为，依次设油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值为r₁、r₂、r₃、r₄，相应权重为μ₁、μ₂、μ₃、μ₄，零件实时综合数值为F，有：

3.一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断方法，基于权利要求1一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采煤机减速器运行前，先将减速器各零件健康、异常、故障状态下数据以及预先设定的标准A、B、C输入到计算机软件系统中；

步骤2：采煤机减速器工作过程中，数据采集系统对油液各特征参数进行实时采集，通过数据线将模拟信号输出到计算机的AD板卡，AD板卡将模拟量转换为数字量成为计算机识别的数据，并传输到第一数据处理系统；

步骤3：第一数据处理系统对数据进行滤波、整流、分类、放大、缺失值处理、平滑滤波、数据的分组、基本描述统计量的计算处理得到油液温度、粘度、油液颗粒数、酸/碱PH值实时数值r₁、r₂、r₃、r₄；

步骤4：结果判断系统通过读取第一数据处理系统输入的数据与预先设置的润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值范围进行比对；

当r₁、r₂、r₃、r₄符合标准A时，此时结果整合输出及储存系统输出润滑油参数正常，数据直接通过结果整合输出及储存系统输出及储存；

当不符合标准A时，数据将会自动与标准B比对；此时当数据符合标准B时，数据会传输到第二数据处理系统进行数据重新处理，完成参数r₁、r₂、r₃、r₄关联分析、异常分析和特异群组分析；重新处理后的数据再次输入到结果判断系统中与标准A进行比较，若符合标准A此时结果整合输出及储存系统输出润滑油参数正常，数据直接通过结果整合输出及储存系统输出及储存；若仍不符合标准A将不再判断是否属于标准B，输入综合分析系统综合分析系统按照数据不符合标准B时的方法完成数据处理，结合人工输入的数据以及设备运行过程系统储存的历史数据对监测结果进行实时综合分析，通过各零部件处润滑油参数数据利用故障树模型确定零件综合数值f；

当数据不符合标准B时，数据输入综合分析系统进行信息关联、误警剔除、数值整合、综合数值统计图形的绘制、数据的正态化处理处理，当所得结果符合标准C时，剩余寿命估算系统进行剩余寿命估算最终输出减速器部位异常，剩余寿命，当所得结果不符合标准C时，结果整合输出及储存系统输出减速器部位故障，采煤机停机。

4.根据权利要求3所述的一种采煤机减速器润滑油状态监测与故障诊断方法，其特征在于，步骤1中所述标准A为润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值正常工作情况下的数值；标准B为出现异常现象，具体包括：润滑油温度、粘度、油液颗粒数及粒度分布、酸/碱PH值各个参数异常及t₁-t₂时间段综合数值f₁大于t₂-t₃时间段内综合数值f₂，监测结果不符合曲线连续性；标准C为零部件发生故障时的综合数值F'，这里有：

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