基于本体的矿井提升机主轴系统故障诊断方法.pdf

第45卷 第1期 2019年1月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 1 Jan. 2019 经验交流 文章编号671-251文章编号671-251X201901-0095-05201901-0095-05DOI0. 13272. 0. 13272. issn. 1671-251. 1671-251x. 2018080054. 2018080054 基于本体的矿井提升机主轴系统故障诊断方法 越旭荣12， 李销莉123， 王学文12越旭荣12， 李销莉123， 王学文12 1.太原理工大学机械工程学院，山 西 太 原 030024; 2.煤矿综采装备山西省重点实验室，1.太原理工大学机械工程学院，山 西 太 原 030024; 2.煤矿综采装备山西省重点实验室， 山 西 太 原 030024; 3.山西焦煤集团有限责任公司博士后科研工作站，山 西 太 原 030024山 西 太 原 030024; 3.山西焦煤集团有限责任公司博士后科研工作站，山 西 太 原 030024 摘要 针对传统矿井提升机故障诊断方法效率低、 准确性差及诊断知识难以重用和共享等问题， 提出了摘要 针对传统矿井提升机故障诊断方法效率低、 准确性差及诊断知识难以重用和共享等问题， 提出了 一种基于本体的矿井提升机主轴系统故障诊断方法。针对矿井提升机主轴系统故障原因多样化的特点， 提一种基于本体的矿井提升机主轴系统故障诊断方法。针对矿井提升机主轴系统故障原因多样化的特点， 提 出用三维坐标法系统总结各种故障现象及其故障原因， 解决了故障总结不全面、 原因分析不合理等问题； 通出用三维坐标法系统总结各种故障现象及其故障原因， 解决了故障总结不全面、 原因分析不合理等问题； 通 过过ProVgV4. 3 软件建立故障诊断本体库， 将故障现象、 故障原因及其对应的逻辑关系作为知识存入本体库，4. 3 软件建立故障诊断本体库， 将故障现象、 故障原因及其对应的逻辑关系作为知识存入本体库， 解决了故障诊断知识共享和重用困难等问题， 提高了故障诊断效率； 通 过解决了故障诊断知识共享和重用困难等问题， 提高了故障诊断效率； 通 过SQLServer 2008数据库存取主轴 2008数据库存取主轴 系统监测数据， 利 用系统监测数据， 利 用Java持久层应用程序接口 持久层应用程序接口 JPA和和Java应用程序接口 应用程序接口 Jena建立本体库与数据库的映建立本体库与数据库的映 射 ， 实现了数据库与本体库数据的动态交换； 最后通过本体库对监测数据进行分析， 确定故障原因并定位故射 ， 实现了数据库与本体库数据的动态交换； 最后通过本体库对监测数据进行分析， 确定故障原因并定位故 障源， 实现故障诊断。实例分析结果表明， 基于本体的矿井提升机主轴系统故障诊断方法提高了故障诊断的障源， 实现故障诊断。实例分析结果表明， 基于本体的矿井提升机主轴系统故障诊断方法提高了故障诊断的 效率和准确性， 且可靠性较高。效率和准确性， 且可靠性较高。 关键词 矿井提升机（ 是升机主轴系统（ 丈障诊断； 本体（ 三维坐标法关键词 矿井提升机（ 是升机主轴系统（ 丈障诊断； 本体（ 三维坐标法 中图分类号中图分类号TD534 文献标志码534 文献标志码A 网络出版地址网络出版地址Http // //kns. . cnki. . net/ /kcms/ /detail/32. 1627. /32. 1627. TP. 20181224. 1424. 005. . 20181224. 1424. 005. html Fault diagnosis for mine hoist spindle system based on ontology ZHAO Xurong12, 12, LI Juanli1’2’3，WANG Xuewen1- 21- 2 1. 1. College of Mechanical Engineering, , Taiyuan University of Technology’ ’ Taiyuan 030024’ 030024’ China; ; 2. 2. Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment of Shanxi Province’’ Taiyuan 030024 ’ 030024 ’ China; 3. ; 3. Post-doctoral Scientific Research Station, , Shanxi Coking Coal Group Co. ,. ,Ltd. ’ . ’ Taiyuan 030024’ 030024’ China Abstract In view of problems of low efficiency’ ’ poor accuracy and difficulty in reusing and sharing diagnostic knowledge of traditional fault diagnosis s of mine hoist’ ’ a fault diagnosis for mine hoist spindle system based on ontology was proposed. . In view of diversification of fautt causes of mine hoist spindle system’ ’ a three-dimensional coordinate is proposed to summarize various fault phenomena and their causes’ ’ and the problems such as incomplete fault summary and unreasonable reason analysis are solved; ; fault diagnosis ontology library is established through Protege4.3’ 4.3’ and fault phenomenon’ ’ fautt causes and their corresponding logical relationship are stored in ontology library as knowledge’ ’ which solves problems of knowledge sharing and reuse of fault diagnosis’ ’ and improves 收 稿 日 期 2018-06-21;修 回 日 期 2018-12-11;责 任 编 辑 胡 娴 。 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （51875386;山 西 省 青 年 科 技 研 究 基 金 项 目 （201601D021084;山 西 省 研 究 生 教 育 改 革 研 究 课 题 2017JG30 。 作 者 筒 介 赵 旭 荣 （1994一 ） ， 女 ， 山 西 长 治 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 机 械 故 障 诊 断 ，E-mail 2663011754 qq com。 通 信 作 者 李 娟 莉 1979， 女 ， 山 西 寿 阳 人 ， 副 教 授 ， 博 士 ， 主 要 研 究 方 向 为 机 械 故 障 智 能 诊 断 ，E-maillijuaiilityut. edu. cn。 引 用 格 式 赵 旭 荣 ， 李 娟 莉 ， 王 学 文 ， 等.基 于 本 体 的 矿 井 提 升 机 主 轴 系 统 故 障 诊 断 方 法 工 矿 自 动 化 ，2019,451 9599. ZHAO XurongLI Juan.liWANG Xuewen. Fautt diagnosis for mine hoist spindle system based on on.tology[J]. Industry and Mine Automation,2019,451 95-99. 96 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 efficiency of fault diagnosis; SQL Server 2008 database is used to access monitoring data of the spindle system, and Java persistence layer application program interface JPA and Java application program interface Jena are used to establish mapping between ontology library and database, so as to realize dynamic data exchange of database and ontology library; finally the monitoring data is analyzed through ontology library to determine fault causes and locate fault sources, and then fault diagnosis is realized. The example analysis results show that the fault diagnosis for mine hoist spindle system based on ontology improves efficiency and accuracy of fault diagnosis, and has high reliability. Key words mine hoist; hoist spindle system; fault diagnosis; ontology; three-dimensional coordinate 识共早重用困难等冋题， 大大提尚了故障诊断效率。 矿井提升机是现代煤矿进行生产和运输过程中 的关键机械设备。在矿井提升机工作 中， 主轴 承担着主要 荷和静载荷， 是矿井提升机的重 要 之一。近年来， 国 研究人员对主轴故障 展开一系列的研究， 提出了基 号时域、 频域分析和幅值分析 测与 方 3、 基杂网络聚类方法[ 4 5、 基于 小波变 方法[ 6 7]和 基 人 工 神 经 网 络 方法[ 8 9]等。 研究对本课题具有一 定的参 借鉴作用， 但目前仍 低 、 诊 断自动化水平低及诊断知识重 等问题。 本体 种可 语义 层面描述各领域 问题的概 型框架， 能够解决 域 共享 重 难 等 问 题 ， 多领域得到广泛应 用[ 1 0 - 11]。ProVgM. 3 是 在 Java语言基础上开发的 获取和本体编辑软件， 可 建本体概念类、 属 、 关系 例[ 1 2 13]。本文使用 ProVgM. 3 构建本 体 ， 通 过 SQL Server 2008数据库存取主轴系统监 测数据， 将本体技术与矿井提升机主轴系统故_ ， 有 决了提升机主轴系统 1基于本体的故障诊断方法1基于本体的故障诊断方法 首先通过三维坐标法归纳总结提升机主轴系统 常见 现象并分析 ； 其次， 根 障 现 建立本体库； 最后建立本体库与数据库 射 ， 实现数据库与本体库 态数据交换， 并通 本 体 库 现 。 1.1 主轴故障分析 矿 井提 升 机主 轴 系统 矿 井提 升 机 主要 装置， 在矿井提升机工作 中承担着 部的 负荷， 矿井提升机的所有装置中， 主轴 容 发生 部位之一。据统计， 矿井提升机大约 百分之 都是发生在主轴部分， 并〔 障 种类多样， 产生 难 面 范地与 应 。 该问题， 笔者提出 种三维坐标法。该方法 提升机不同零部件 种工况， 纟 传 统的专家 ， 系统总 种 现象及 应 可 有 决 总 不 面、 原因分析不 等问题。 三维坐标 图 1 所示。其 中 X 轴表示相关 零部件 属部件， 纟 机 、 主轴、 卷筒、 轴承、 Fig. 1 图1 三 维 坐 标 法 Three-dimensional 2 0 1 9 年 第 1 期赵 旭 荣 等 基 于 本 体 的 矿 井 提 升 机 主 轴 系 统 故 障 诊 断 方 法 97 支持架、 螺栓、 轴承座、 齿轮、 润滑油等;y 轴表示故 障现象， 包括主轴停转、 主轴和电动机碰磨、 主轴断 裂、 主轴弯曲、 机械松动、 轴线不对中、 主轴振动、 超 温以及主轴承表面磨损、 点蚀、 镑蚀、 烧损、 塑性变 形、 断裂等 ； Z 轴表示各种工况， 包括安装调试、 启 动、 加速过程、 勻速运转、 减速过程、 制动、 定期检修 及其他维修。 通 过 x ， y ， z 三轴交叉对应， 综合考虑各个零 部件在各种工况下发生的故障现象， 找出可能的故 障原因。如主轴断裂故障， 若发生在安装、 调试阶 段 ， 可能是因为材料不佳且热处理工艺不合理;若发 生在启动或加速阶段， 可能是由于负载过大;若发生 在制动阶段， 可能是因为制动力矩过大或材料不佳 且热处理工艺不合理;若发生在勻速或减速阶段， 可 能是由于结构设计不合理、 应力集中或运转时间超 过其寿命期限等。 限于篇幅， 列举了部分矿井提升机主轴系统常 见故障现象及原因， 见 表 1。 表i矿井提升机主轴系统常见故障现象及原因 Table 1 Common faults and causes of spindle system of mine hoist 故障现象故障原因 电动机故障 主轴停转 负大 主轴与 机 裂 负载过大 装配 应 力 过 大 主轴断裂 应力集中 结 构 设 计不合理 材 料 不 佳 及 热 处 理 工 艺 不 合 理 长 时 间 运 转 超 过 其 寿 命 期 限 冲击振动 主轴承 超载负荷 塑性变形 落入异物 装配不 1.2 主轴系统本体库设计 通 过 ProVgM. 3 建立矿井提升机主轴系统故 障诊断本体库， 将通过三维坐标法总结的故障现象、 故障原因及其对应的逻辑关系作为知识存人本体 库 。用建好的本体库生成owl文档。由于owl文档 的使用独立于运行时的平台， 且 将 现 有 ow l文档导 人本体开发系统并在本体间执行格式转换也很方 便 ， 所以， 便于实现提升机主轴系统故障诊断知识的 共享和重用。 由于proVgM. 3 不支持中文显示， 但英文对大 多数用户来说使用不太方便， 所以在建立完整的本 体库后， 对关键的类添加标签进行注释， 解决了一部 分用户语言障碍的问题。 1.3 本体库与数据库的映射 采 用 SQLServer 2008数据库来存取提升机主 轴 系 统 的 数 据 信 息 ， 通 过 JPA Java Persistence API Ja v a 持久层应用程序接口） 将数据库监测量自 动地映射成Java元 素 。其中数据库表对应于Java 类 ， 表字段数据类型对应于Java数据类型， 表字段 对应于Java类的属性， 该属性中可以用以“ get” 开 头的方法获取属性值。 在 Java应用程序接口 Jen a中描述本体， 其中 URI 基础命名空间* 本地标识符， 基础命名空间 可 以 是 本 体 文 件 的 URI Uni Resource Identifier， 统 一 资 源标识符 U R I类似于网页的 URL Uni Resoure Locator，统 一■资源 定位符[14]。 在本体中， 数据类型属性的本地标识符与以 “ get” 开 头 的 方 法 名 对 应 一 致 ， 仅 需 以 “ has” 替换 “ get” 。通过这种方法， 即可实现数据库与本体库数 据的动态交换， 数据库中的数据将作为本体库中的 实例来实现自动诊断。 2实例分析2实例分析 2.1相关参数计算及选择 试验对象某矿井JKM 2. 8 X 6 I A 型多绳摩 擦式矿井提升机的主轴系统； 电动机参数 型号为 YR 800-12/1430,额定 转 速 〜 为 49 r/min;减速器 参数 型 号 为 XP1120,速 比 i 11. 5。 减速器输人轴的回转频率/1 frl I H z W1/60 8 2 1 减速器输出轴和滚筒轴的回转频率2 2 |h, fri/t 0. 713 0 2 减速器输出轴和滚筒轴的额定转速w2 2 | r/m in 1 /1 43 3 矿井提升机主轴系统振动监测量包括位移、 速 度和加速度（ 5]， 监测量一般依据振动频率选用一 种 ， 选用原则如下 ① 对 于 振 动 频 率 在 10 H z以下 且振幅较大的低频振动设备， 以振动位移作为量标， 这时的缺陷主要是由位移引起的。②对于振动频 率为10〜1 000 H z的设备， 以振动速度作为量标。 ③对 于 振 动 频 率 大 于 1 000 H z的设备， 以振动加 速度作为量标。本文考虑完整性， 选用以下监测量 电动机右轴承和减速器右轴承在X 轴方向的位移 P P 值 （ 即振动峰峰值） 、 速度均方根值和加速度； 主 轴左右轴承x ， y ， z 方向的位移p p值 、 速度均方根 98 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 值和加速度。 2.2 故障诊断规则 根据大型旋转机械的振动标准[16]， 设定振动位 移评价标准， 见 表 2,报警值为0.2 mm。 表2振动位移评价标准 Table 2 uation criteria of vibration displacement 振动位移PP值0. 12 0. 21.0 评价结果良 注意 危险 2.3 诊断结果 以 主 轴 右 轴 承 X 方 向 振 动 速 度 均 方 根 值 zzyXJFG 和 电 动 机 右 轴 承 X 方向振动加速度 djyXJSD为例， 根据振动速度和加速度报警临界 值 ， 从 数 据 库 筛 选 出 振 动 速 度 均 方 根 值 大 于 4. 5 min/s 且振动加速 度 大 于 0. 3 m/s2 的所有数 据 。然后通过Jena操纵本体， 利用本体库对故障进 行分析， 诊断结果如图2 所示。 | zzyXJFGf- 主轴模拟量I r I djyXJSD | 主轴弯曲| x / y / 装配不良i 主轴振动-beause_of Subclass some 轴心质量分布不均 主轴和卜丨田轴量分布■ 公差设计不合遥1 图2故障诊断结果 Fig. 2 Fault diagnosis result [1 ]吴海青， 石瑞敏， 娄玉华， 等.多绳摩擦提升机主轴振 动监测与故障诊断研究[ J ]煤矿机械，2013,348 302-304. WU Haiqing ， SHI Ruimin， LOU Yuhua， et al. Research of vibration monitoring and fault diagnosis on spindle of multi-rope friction hoist[J]. Coal Mine M achinery2013 348 302-304. [ 2 ]乔国厚.基于振动信号分析的矿井提升机主轴装置在 线监测与故障诊断系统设计应用[ J ]矿山机械， 2013,4112 51-55. QIAO Guohou. Design and application of online monitoring and fautt diagnosis system for spindle assembly of mine hoist based on vibration signal analysis [J]. Mining k Processing Equipment，2013， 411251-55. [3 ]赵武.基于振动测试的矿井提升机故障诊断[ J ]制造 业自动化，2011，335 49-52. ZHAO Wu. Fautt diagnosis of mine hoist gear based on vibration test [ J ]. Manufacturing Automation， 2011，33549-52. [4 ]董磊， 石瑞敏， 曾志强.基于复杂网络聚类的提升机主 2 0 1 9 年 第 1 期赵 旭 荣 等 基 于 本 体 的 矿 井 提 升 机 主 轴 系 统 故 障 诊 断 方 法 99 轴 系 统 故 障 诊 断 振 动.测 试 与 诊 断 ，2016,36 4 688-693. DONG Lei， SHI Ruimin， ZENG Zhiqiang. Fault diagnosis for spindle system of hoist based on complex network clustering[J]. Journal of Vibration， Measurement k Diagnosis , 2016,364 688-693. [5 ]杜 海 峰 ， 王 娜 ， 张 进 华 ， 等.基 于 复 杂 网 络 的 故 障 诊 断 策 略 机 械 工 程 学 报 ，2010,46390-96. DU Haifeng， WANG N a， ZHANG Jinghua， et al. Fault diagnosis strategy based on complex network analysis[J]. Journal of Mechanical Engineering , 2010， 46390-96. [6 ]季 忠 ， 黄 捷 ， 秦 树 人.提 升 小 波 在 齿 轮 箱 故 障 诊 断 中 的 应用振动.测 试 与 诊 断 ，2010，3 0 “ 291-294. JlZ hong， HUANG Jie， QIN Shuren. Gearbox fault diagnosis using lifting wavelet [ J Journal of Vibration， Measurement k Diagnosis，2010， 30 3 291-294. [ 7 ] RUBINI R, M ENEGHETTI U. Application of the envelope and w avele,,rans analyses for ,h e diagnosis of incipient faults in ball bearings [J ]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2001,152 287-302. [ 8 ] 刘 金 辉 ， 任 小 洪. L M算 法B P神 经 网 络 的 数 控 机 床 主 轴 系 统 故 障 诊 断[ J ] .机 床 与 液 压 ，2015, 43 21 193-1968 LIU Jinhui , REN Xiaohong. Fault diagnosis of CNC machine tool spindle system of LM algorithm of BP neural network [J]. Machine Tool k Hydraulics， 2015,4321 193-196. [9 ] ZHANG Yueyang， ZHAO Jianjun， LIANG Wei. The fault diagnosis of electric power metering system based on momentum BP neural netw ork[J]. Applied Mechanics and Materials , 2014,668-669 724-728. [ 0 ] 王 毅 ， 陈 庆 新 ， 毛 宁.基 于 本 体 的 注 塑 模 改 模 知 识 表 达 方 法 研 究[J ].机 械 设 计 与 制 造 ，20122 233-235. WANG Yi , CHEN Qingxin , MAO Ning. The research on the knowledge representation of the injection mould based on ontology [J]. Machinery Design k M anufacture，201212 233-235. [ 1 ] 易 钢 ， 罗 尧 岳.基 于 本 体 的 中 医 知 识 库 系 统 的 研 究 [J ].医 学 信 息 （ 上 旬 刊 ），2010,2310 3516-3518. [12] ZHOU Anmei , YU Dejie , ZHANG Wenyi. A research on intelligent fault diagnosis of wind turbines based on ontology and FM ECA [J]. Advanced Engineering Inatics，2015，291 115-125. [ 3 ] 李 娟 莉 ， 杨 兆 建.基 于 本 体 的 矿 井 提 升 机 故 障 诊 断 方 法[J ].振 动.测 试 与 诊 断 ，2013，336993-997. LI Juanli , YANG Zhaojian. Fault diagnosis for mine hoist based on ontology [ J ]8Journal of Vibration， Measurement k Diagnosis，2013， 33 6 993-9978 [ 4 ] 李 娟 莉.基 于 本 体 的 矿 井 提 升 机 故 障 诊 断 理 论 与 方 法 [M ].北 京 国 防 工 业 出 版 社 ，2015. [ 5 ] 孟 祥 忠 ， 王 振 起 ， 林 存 海.基 于 模 糊 诊 断 理 论 的 提 升 机 振 动 监 测 诊 断 系 统[J ].电 子 测 量 技 术 ，2016,399 172-1758 MENG Xiangzhong， WANG Zhenqi， LIN Cunhai. Hoist vibration monitoring and diagnosis system based on the theory of fuzzy diagnosis[J]. Electronic Measurement Technology，2016，399 172-175. [ 6 ] 李 纪 . 矿山设 备 性 能 测 定 与 状 态 诊 断 技 术[M ].北 京 煤 炭 工 业 出 版 社 ，1995.