矿用带式输送机托辊健康监测方法研究

发布时间：2020-04-28 01:45

【摘要】：因具有运量大、运输距离长、运输效率高以及可连续运输等优势,带式输送机在矿业生产有着广泛应用,并已成为煤炭生产中的关键运输装备之一。随着煤炭生产对产量和效率要求的提高,矿用带式输送机正向着高速化、大型化方向发展。由于矿用带式输送机处于矿山运输的枢纽环节,因而保障其运行安全、防止恶性事故发生对煤矿安全生产具有重要意义。作为典型的大型旋转机械,矿用带式输送机所包含的大量托辊组是引发火灾事故的主要隐患源;而传统的定期和事后维护往往成本高、实时性差、安全隐患高、托辊部件服役潜能难以充分发挥。因此,有必要对矿用带式输送机托辊进行状态监测,通过信号分析手段及时发现托辊的异常状态并预测其剩余使用寿命,以便进一步制定合理的维护策略来消除隐患和最大化托辊服役时间。本文在国家自然科学基金项目“基于多时间尺度模型的变工况大型旋转机械健康管理研究”和江苏省自然科学基金项目“煤矿大型带式输送机多时间尺度健康状态监测方法研究”的资助下,以矿用带式输送机托辊为研究对象,结合信号处理、特征提取、故障诊断、健康评估与寿命预测等相关理论和技术,开展矿用带式输送机托辊的健康监测方法研究,以形成基于振动信号分析的矿用托辊故障诊断、识别与剩余寿命预测技术,为保障矿用带式输送机的运行安全以及制定托辊部件的最优维护策略提供理论支撑和技术解决方案。主要内容包括:(1)在对矿用带式输送机及其托辊结构进行介绍的基础上,分析了矿用托辊故障的演化特点、故障特征频率和故障振动模型;通过仿真手段分析了托辊在不同故障状态下的时域与频域信号特征,为后续基于频谱结构挖掘研究托辊的健康监测方法奠定了基础。与此同时,还针对本课题的研究内容设计了模拟实验,获得了相应的实验数据。(2)为了对矿用带式输送机托辊实施健康状态监测,以便在发生故障时对托辊故障进行及时且有效地诊断,开展了矿用带式输送机托辊故障诊断方法研究。针对在故障(特别是早期故障)发生时托辊监测信号具有故障特征信息微弱、易受噪声干扰以及故障共振频带难以准确确定的特点,提出了基于频谱搜索算法亦称频谱结构信息(Structural Information of Spectrum,SIOS)算法的托辊故障诊断方法。利用托辊故障发生时故障成分与噪声成分在监测信号频谱中表现形式的不同,构建了托辊监测信号的SIOS用于实现故障特征信息与噪声信息在频谱意义上的分离。最后,通过识别SIOS算法诊断参数的占优频率成分,实现矿用带式输送机托辊故障的有效诊断。(3)为了运用在长期生产实践中所积累的托辊故障样本来对矿用带式输送机托辊故障进行快速诊断,开展了托辊的快速故障模式识别研究。首先,根据在不同故障状态下托辊监测信号频谱的结构差异性,结合图像识别技术提出了基于频谱图像的故障特征提取方法;其次,考虑到当实际测试案例与已知故障案例的运行工况不同时会出现故障识别精度下降的情况,结合基于转频的频谱矫正技术,提出了基于矫正频谱图像的故障特征提取方法;最后,运用二维主成分分析(Two-dimensional Principal Component Analysis,2DPCA)方法和最近邻分类算法(Nearest Neighbour Classifier,NNC)对所述图像特征进行降维处理和模式分类,实现了矿用带式输送机托辊的快速故障识别。(4)针对矿用带式输送机托辊因传统的定期和事后维护存在成本高,部件服役潜能未能得到充分挖掘的问题,开展了托辊的退化状态评估与剩余使用寿命(Remaining Useful Life,RUL)预测研究。首先,结合SIOS算法在捕获托辊故障特征信息上的优势,通过构建用于描述托辊性能退化的健康指标,提出了基于SIOS算法的托辊退化状态评估方法;其次,考虑到在全寿命周期内实施RUL预测存在精度低、难度大等情况,对托辊健康退化过程提出了两阶段划分策略;并结合正常阶段下自零空间观测器模型构建了相应的检测指标,形成了基于自零空间观测器的初始退化点(Initial Degenerate Point,IDP)检测方法,实现了两阶段划分中分界点的检测与确定;最后,在对托辊退化过程进行建模描述的基础上,使用基于SIOS算法所构建的健康指标并结合粒子滤波算法实现了矿用带式输送机托辊的RUL预测。论文最后对全文工作进行了总结,并对课题的未来研究方向进行了展望。
【图文】：

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图 1-1 本课题研究的ure 1-1 The technical stra内容，将本文的总体题的来源、选题背景断与识别、寿命预测究概况，归纳总结矿确定本课题的研究目用带式输送机基本结矿用带式输送机托辊及对应的故障特征频通过仿真手段分析托本文的研究内容，对矿用带式输送机托辊

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图 2-1 矿用带式输送机输送原理示意图Figure 2-1 Conveying principle of a mine belt conveyor由图 2-1 可知，带式输送机的输送带是闭环连接的，物料运输通过输送带的循环移动来完成。因而，可将矿用带式输送机的工作原理概括为：由驱动滚筒为带式输送机提供输送力矩，带动输送带循环移动来完成煤矿的连续运输。不难发现，带式输送机以输送带作为牵引与承载机构，而输送带的主要承载部件为托辊组。并且，带式输送机的输送距离越长，其托辊组的数量也将越多。矿用带式输送机作为典型的旋转机械，其托辊的健康状态对整机运行可靠性有着重要影响。因此，本文以托辊式矿用带式输送机托辊作为主要研究对象，开展其健康监测方法的研究工作。2.2.2 矿用带式输送机托辊概述为了减少输送带在物料运输中的摩擦力，托辊在矿用带式输送机中被广泛应用，，是矿用带式输送机的关键旋转部件之一。由于复杂而恶劣的工作环境，托辊经过长时间的使用，其性能出现下降并伴随有故障发生。因此，有必要对矿用带式输送机托辊进行健康状态评估，以及时通过维护消除其为带式输送机整体系统
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD528.1

【参考文献】