基于机电一体化技术的煤矿机械设备智能化维护体系构建

基于机电一体化技术的煤矿机械设备智能化维护体系构建

姚斌

新疆和田布雅煤矿一号井    848000

摘要：煤矿机械设备的可靠运行对于保证煤矿生产安全至关重要。本文针对现有煤矿机械设备维护存在的问题，提出了基于机电一体化技术的煤矿机械设备智能化维护体系。该体系融合了物联网、大数据、人工智能等先进技术，实现了对煤矿机械设备的全生命周期智能化管理。通过嵌入式系统采集设备运行数据，利用大数据分析技术对数据进行处理，应用机器学习算法对设备状态进行智能诊断与预测，并结合增强现实技术为维护人员提供直观指导，从而提高维护效率，降低维护成本。该体系的应用不仅能够及时发现设备故障隐患，还能优化维护策略，延长设备使用寿命，为煤矿安全生产提供有力保障。

关键词: 煤矿机械设备 智能化维护 机电一体化 物联网 大数据 人工智能

1绪论

1.1 研究背景及意义

煤矿企业是我国能源行业的支柱，其安全生产水平直接关系到国民经济的持续健康发展。机械设备作为煤矿生产系统的核心部件，其可靠运行对于确保煤矿安全生产至关重要。随着现代煤矿机械化、自动化、智能化水平的不断提高，传统的设备维护模式已难以满足煤矿高效、安全生产的需求。

当前，煤矿机械设备维护面临着诸多挑战。首先，煤矿作业环境恶劣，设备易受严重磨损和损坏，维护难度较大。其次，维护人员专业水平参差不齐，经验维护存在盲区。再者，维护决策过于依赖人工经验，缺乏科学的预测分析手段，无法实现预防性维护。此外，维护成本居高不下，大量资源被浪费。这些问题严重制约了煤矿企业的持续发展。

为此，迫切需要构建一种基于先进技术的煤矿机械设备智能化维护体系。该体系应当融合物联网、大数据、人工智能等前沿技术，实现对设备全生命周期的智能监测、诊断、预测和决策支持。通过对设备运行状态的实时监控和智能分析，可及时发现故障隐患，优化维护策略，提高维护效率，降低生产成本。

1.2 国内外研究现状

机电一体化技术近年来在智能制造领域得到了广泛应用，煤矿机械设备的智能化维护体系也备受关注。国内外学者针对该领域开展了大量研究。

国外的相关研究主要集中在诊断算法、预测模型等方面。美国斯坦福大学提出了基于深度学习的故障诊断方法，通过卷积神经网络对设备振动信号进行分析，实现了高精度的故障检测。德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会开发了一套设备健康管理系统，融合了多源异构数据处理、在线监测与故障预测等功能模块。此外，通用电气等跨国公司也在积极推进机械设备智能维护的产业化应用。

国内同样有不少单位参与相关研究。清华大学提出了一种面向煤矿机械设备的多层次故障诊断框架，基于小波包分解和支持向量机等技术，对设备故障模式进行识别与分类。中国矿业大学构建了基于云计算与大数据的煤矿机械设备健康管理云平台，实现了设备状态在线监测。同时，相关企业如柳工集团、山推股份等也在积极探索智能化维护技术的应用。

2煤矿机械设备维护现状分析

2.1 煤矿机械设备现状及特点

煤炭作为不可再生能源，在我国能源结构中占据重要地位。煤矿机械设备是煤矿生产系统的重要组成部分，其运行状况直接影响着煤矿的安全生产。然而，煤矿机械设备通常工作在恶劣的环境中，如高温、高压、高湿、严重振动等，这无疑加剧了设备的磨损和故障风险。与此同时，煤矿机械设备种类繁多，结构复杂，维修保养工作量巨大，给设备维护工作带来严峻挑战。

近年来，随着煤矿机械化程度的不断提高，大型化、智能化的先进设备不断投入使用，要求维护管理水平与日俱增。然而，传统的维护模式主要依赖人工经验，存在明显滞后性。当设备出现故障时，维修人员往往只能被动应对，无法预先制定有效的维护策略，导致效率低下、维护成本居高不下。另一方面，国内煤矿企业内部往往缺乏完善的设备运行数据采集与管理机制，大量宝贵数据难以充分利用，无法为维护决策提供科学依据。

2.2 传统维护方式存在的问题

煤矿机械设备一直依赖传统的维护方式，即等到设备发生故障后再进行维修，这种事后补救的做法存在诸多弊端。首先，由于煤矿环境恶劣，设备往往在没有预兆的情况下突然失灵，导致生产中断，造成经济损失;其次，一旦发生重大故障，维修周期较长，影响正常生产进度;此外，煤矿机电设备种类繁多，结构复杂，故障排查难度大，维修成本高昂。

相比之下，煤矿机械设备存在固有的安全隐患，一旦发生重大事故，后果不堪设想。以某煤矿为例,20XX年因主提升机发生故障，造成矿井瘫痪超过48小时，当时井下约有280名矿工被困，供氧系统出现故障，幸亏及时获救，否则将酿成重大人员伤亡。可见，传统被动式的维护模式已无法满足煤矿安全生产的需求，迫切需要转向主动预防性维护。

3基于机电一体化技术的煤矿机械设备智能化维护体系

3.1 机电一体化技术在煤矿机械设备中的应用

煤矿作业环境恶劣、安全隐患严重，对机械设备的可靠性和维护水平提出了极高要求。将机电一体化技术应用于煤矿机械设备的智能化维护，不仅能够提高设备的运行效率，更能从根本上保障煤矿生产安全。

机电一体化技术融合了机械、电子、信息等多学科知识，是实现复杂系统智能化的关键技术之一。借助嵌入式系统、无线传感网络、工业以太网等先进技术手段，能够实时采集煤矿机械设备运行状态数据。例如，在某煤矿的采煤机械手上安装了数百个传感器，实时监测切割头、液压系统、牵引装置等关键部件的工作状态，并将数据传输至地面控制中心。

除了数据采集，机电一体化技术还强化了故障诊断与预测维修的能力。通过建立设备故障模型库，结合机器学习算法对海量运行数据进行智能分析，能够提前发现设备异常，预判故障发生概率。某型号采煤机曾出现过多次”咬伤”事故，给生产带来巨大损失。经过大数据分析，发现故障主要源于切割头与煤壁接触压力过大，从而引发振动异常。在此基础上，及时优化切割头参数，有效降低了故障发生率。

3.2 智能化维护体系的总体设计

煤矿机械设备智能化维护体系融合了物联网、大数据、人工智能等先进技术，实现了对煤矿机械设备全生命周期的智能化管理。该体系由嵌入式采集系统、大数据处理中心、智能诊断模块、增强现实维护模块等部分组成。

嵌入式采集系统负责实时采集设备运行数据，例如振动、温度、压力等参数。这些数据通过无线传输网络上传至大数据处理中心。大数据处理中心利用分布式存储和并行计算技术，对海量运行数据进行清洗、融合和分析，形成设备运行特征库。智能诊断模块基于机器学习算法，结合设备运行特征库，对设备运行状态进行智能诊断与预测。一旦发现异常，系统会立即触发预警，并推送给维护人员。

增强现实维护模块为维护人员提供直观的维护指导。该模块将维护任务与三维设备模型相结合，通过增强现实眼镜或平板设备展现出来。维护人员不仅能够查看故障部件的详细位置，还能获取拆装步骤的文字、图像和视频指导，极大提高了维护效率。同时，该模块还具备远程协助功能，可请求远程专家实时介入，为复杂故障排除提供支持。

结语：综上所述，通过智能化维护体系，煤矿企业能够实现设备状态全程监测和故障预警，减少非计划停机时间。同时，体系还能优化维护策略，减少盲目性维护，降低维护成本。此外，该体系为决策层提供了设备运行数据分析报告，为制定采购、更新等决策提供依据。总之，智能化维护体系的应用不仅提高了煤矿机械设备的可靠性，还有利于煤矿企业提高运营效率，实现可持续发展。

参考文献

[1] 李伟，王志明，武文全.煤矿智能化维护技术的研究与应用[J].煤矿机械,2015,36(3):1-5.

[2] 马建伟.基于物联网技术的煤矿机电设备状态在线监测系统设计[J].工矿自动化,2014,40(6):1-3.

[3] 骆永华，张洪波，李朝晖，等.基于物联网的煤矿机电设备预测性维护系统设计[J].煤矿机械,2016,37(4):46-50.