礦用本安型電動(dòng)球閥作為煤礦井下流體控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行單元，其可靠性直接關(guān)系到通風(fēng)、瓦斯抽采、排水等安全系統(tǒng)的正常運(yùn)行。受限于井下高濕、高粉塵、易燃易爆等惡劣環(huán)境，電動(dòng)球閥易發(fā)生機(jī)械卡滯、密封失效、電機(jī)過載、本安電路異常等故障。傳統(tǒng)的“事后維修”或“定期檢修”模式難以滿足現(xiàn)代智能礦山對(duì)高可用性與本質(zhì)安全的要求。 本安設(shè)計(jì)對(duì)功耗、電壓、電流的嚴(yán)格限制（通常≤24 V、≤100 mA），使得電動(dòng)球閥驅(qū)動(dòng)能力受限，長期運(yùn)行易出現(xiàn)磨損、銹蝕、潤滑失效等問題。一旦發(fā)生故障，不僅影響工藝流程，更可能引發(fā)瓦斯積聚、水災(zāi)等次生事故。
一、典型故障模式與成因分析
二、故障診斷技術(shù)路徑
1、基于多源傳感的狀態(tài)監(jiān)測
在本安功耗限制下，優(yōu)選低功耗傳感器：
- 電流/電壓波形監(jiān)測：通過驅(qū)動(dòng)電流瞬態(tài)特征識(shí)別卡滯或過載；
- 微振動(dòng)信號(hào)采集：利用MEMS加速度計(jì)捕捉閥桿運(yùn)動(dòng)異常；
- 溫度監(jiān)測：紅外或熱敏電阻檢測電機(jī)或閥體局部過熱；
- 位置反饋校驗(yàn)：對(duì)比指令位置與實(shí)際反饋，判斷傳動(dòng)鏈故障。
注：所有傳感器及信號(hào)調(diào)理電路須通過本安認(rèn)證（如Ex ia I Ma）。
2、信號(hào)處理與特征提取
- 采用小波變換或經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）去除井下強(qiáng)噪聲干擾；
- 提取時(shí)域（均方根、峭度）、頻域（主頻能量）及時(shí)頻域特征；
- 構(gòu)建“健康-亞健康-故障”多狀態(tài)特征庫。
3、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)診斷模型
- 傳統(tǒng)方法：支持向量機(jī)（SVM）、隱馬爾可夫模型（HMM）適用于小樣本場景；
- 深度學(xué)習(xí)：輕量化CNN或LSTM網(wǎng)絡(luò)部署于邊緣控制器，實(shí)現(xiàn)端側(cè)實(shí)時(shí)診斷；
- 遷移學(xué)習(xí)：利用地面模擬平臺(tái)數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練，減少井下標(biāo)注數(shù)據(jù)依賴。
三、預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)
提出“端-邊-云”三級(jí)協(xié)同架構(gòu)：
1、端側(cè)（本安閥體）：
- 集成低功耗MCU與傳感器，執(zhí)行本地特征提取與初級(jí)診斷；
- 通過本安RS485/CAN總線上傳關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)。
2、邊緣側(cè)（井下本安網(wǎng)關(guān)）：
- 聚合多臺(tái)球閥數(shù)據(jù)，運(yùn)行輕量預(yù)測模型；
- 生成剩余使用壽命（RUL）估計(jì)與維護(hù)工單建議。
3、云端（地面監(jiān)控中心）：
- 構(gòu)建數(shù)字孿生模型，進(jìn)行全礦閥門健康態(tài)勢可視化；
- 結(jié)合設(shè)備臺(tái)賬、維修記錄、環(huán)境參數(shù)，優(yōu)化維護(hù)策略。
- 該架構(gòu)在保證本安前提下，實(shí)現(xiàn)“感知-診斷-預(yù)測-決策”閉環(huán)。
礦用本安型電動(dòng)球閥的故障診斷與預(yù)測性維護(hù)是提升煤礦本質(zhì)安全水平的重要支撐。通過融合低功耗傳感、邊緣智能與云平臺(tái)協(xié)同，可在嚴(yán)格本安約束下實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)維修”向“主動(dòng)預(yù)防”的轉(zhuǎn)變。
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