重型刮板輸送機成套裝備智能化關鍵技術

宋尚山

（西山煤電（集團）股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

目前，國內各大型、特大型礦井的主要開采方式已經都轉變?yōu)榇蟛筛摺㈤L走向、超長工作面、一井兩面甚至一井一面，其中很多礦井實現了日產量3萬t以上，年產量千萬噸以上的目標。刮板輸送機成套裝備是長壁工作面的主要運輸裝置，其技術水平對綜采工作面的安全高效生產有著非常重要的影響。為了滿足單工作面千萬噸級礦井生產需要，國內外刮板輸送機成套裝備的發(fā)展趨勢已經逐漸變?yōu)橐竽赀^煤量超過千萬噸的智能化、重型刮板輸送機。在重型和大運量方面，國內已經研制出了裝機功率達到3×1 000 kW、3×1 500 kW、3×1 600 kW，槽寬為1 000mm、1 350mm、1 500mm的重型刮板輸送機成套裝備。但是與刮板輸送機運量不斷提高相比，重型刮板輸送機的自動化程度相對較低。遠程監(jiān)控技術、變頻調速軟啟動技術以及鏈條張力自動控制與故障診斷技術將成為未來重型刮板輸送機智能化的重要研究方向[1-2]。

1 遠程監(jiān)控技術

遠程監(jiān)控技術主要組成部分有：異地遠程監(jiān)控平臺、地面調度室集控平臺、井下監(jiān)控子系統。

1.1 異地遠程監(jiān)控平臺

異地遠程監(jiān)控平臺是將行業(yè)專家以及設備的制造方、使用方連接起來，從而保證設備在井下高效穩(wěn)定的工作，完成對設備全壽命周期的管理。設備的生產廠家在安裝設備時應該設有監(jiān)測中心，從而能夠實時監(jiān)測到所銷售產品的運行信息，廠家在對這些信息整理、分析后更好的為煤礦提供技術服務；并且這些信息也能為專家判斷設備健康狀況提供參考，起到輔助決策的作用。目前異地遠程監(jiān)控平臺的發(fā)展主要有兩個障礙：一個是刮板輸送機工況監(jiān)控屬于礦井生產的輔助功能，因此不論是煤礦還是設備生產廠家重視度都不夠，并且煤礦企業(yè)出于對安全的考慮不愿進行數據共享；二是監(jiān)控系統的監(jiān)控點不夠豐富，收集到的信息不夠全面。

1.2 地面調度室集控平臺

地面調度室集控平臺可以設置監(jiān)控服務器、數據服務器以及Web服務器，這些服務器可以遠程控制井下設備，管理設備運行歷史數據，還可以與設備生產廠家、專家共享運行狀態(tài)數據。

1.3 井下監(jiān)控子系統

井下監(jiān)控子系統的組成部分有：巷道集控平臺、振動采集裝置、伸縮機尾控制裝置、視頻采集裝置、鏈條控制診斷裝置、變頻控制器、減速器監(jiān)測裝置。巷道集控平臺是井下監(jiān)控子系統的上位機接收刮板輸送機的運行信息并上傳至調度室集控平臺，同時工人可以通過工作面巷道集控平臺控制刮板輸送機的啟停以及推移、拉架等；減速器監(jiān)測裝置負責實時采集減速器軸的溫度，潤滑油的溫度、壓力、液位，以及冷卻水的溫度、流量；電機工作時的電流、電壓等物理量可通過開關讀取。

2 鏈條張力自動控制與故障診斷技術

當煤壁出現片幫時，刮板輸送機的瞬間負荷增大；采煤機往復割煤時，刮板輸送機的負荷也呈周期性變化。而負荷的變化會導致刮板輸送機鏈條張緊程度的變化：鏈條過松會導致堆鏈，影響與鏈輪的嚙合，容易發(fā)生斷鏈、跳鏈；鏈條過緊會加大壓鏈板和鏈條的磨損程度。所以根據負荷的變化改變鏈條的張緊程度能夠提高設備的可靠性和使用壽命，減少部件的磨損。為了達到這一目的，國內外多采用自動伸縮機尾的技術來自動控制鏈條張力。

2.1 鏈條故障診斷技術

目前常用的鏈條故障診斷技術有兩種：第一種鏈條故障診斷方法的原理圖如圖1-1所示，正常情況下鏈條帶動刮板勻速的通過擺輪，當刮板接觸擺輪時會推動彈簧板從而接近霍爾開關，這時開關會輸出低電平；當刮板通過后，彈簧板推動擺輪復位，彈簧板遠離霍爾傳感器霍爾開關輸出高電平。刮板輸送機運行正常時，霍爾傳感器會發(fā)出標準的脈沖信號。如果刮板折斷，霍爾傳感器將會在較長的一段時間內（大于一個標準脈沖周期）輸出高電平；如果出現斷鏈或者堵轉，那么霍爾傳感器會一直輸出高電平；當刮板輸送機為邊雙鏈，可以安裝兩個霍爾傳感器，當發(fā)生跳鏈時，兩個霍爾傳感器輸出的脈沖信號之間會有一定的相位差。

另一種鏈條故障診斷方法如圖1-2所示，正常情況下，刮板經過鏈輪時會帶動舌板繞故固定軸擺動，舌板正對霍爾傳感器時，由于和霍爾傳感器距離較近，輸出低電平；距離較遠時，輸出高電平。如果刮板輸送機運行正常，則霍爾傳感器會輸出標準的脈沖信號，如果發(fā)生故障，輸出脈沖信號的特征與第一種方法相似。

圖1 鏈條故障診斷方法原理

2.2 自動伸縮機尾技術

自動伸縮機尾技術原理如圖2所示。控制器需要先采集刮板輸送機油缸的壓力，然后控制器將壓力值與設定值進行比較，并根據比較結果通過閥組控制油缸動作，從而使機尾移動調節(jié)鏈條的張緊程度。這其中比較重要的就是如何分別設定油缸在滿載和空載情況下的壓力值，并且設定值需要工人按照固定的周期進行修正，油缸壓力的實際值不能超過這個范圍；同時油缸壓力的目標值也需要參考采煤機的位置和電動機的電流大小。由于很難確定油缸在滿載和空載狀態(tài)下能夠反映合適張緊程度的壓力值，所以這種自動伸縮機尾的技術在應用時存在著很大的局限性。而智能張緊控制技術則可以解決這一問題，這種就技術將測量鏈條張力的芯片嵌入鏈條內部，并將張力信息通過無線傳輸至控制器，然后把推薦張緊力與實際值進行比較，控制刮板輸送機機尾的動作，從而自動控制鏈條的張緊力。

3 變頻調速軟啟動技術

對于功率在855 kW以下的刮板輸送機，為了解決刮板輸送機在有負載的情況下啟動電流過大的問題，多采用雙電機驅動的方式。但是隨著刮板輸送機功率的不斷增大，即使采用雙電機驅動，在重載情況下依然會有很大的驅動電流對設備和電網造成沖擊，在這種情況下，必須采用軟啟動裝置來克服這一問題。常用的軟啟動技術有變頻調速、CTS（可控啟動傳輸裝置），TTT（閥控充液式液力耦合器），其中CTS和TTT技術雖然能夠解決刮板輸送機在重載情況下無法啟動的問題，但是這兩種技術對油質和水質的要求很高，在井下這種惡劣的環(huán)境下維護十分困難，并且不具備自動調速的功能。相對于這兩種方式，變頻調速技術不僅可以實現軟啟動，并且還能實現電機的自動調速以及電機的功率平衡，從而有效減少設備磨損、節(jié)省電費、提高使用壽命，維護方便、成本低[3]。

圖2 自動伸縮機尾原理示意圖

實現變頻軟啟動的方案主有兩個：一是采用變頻中心控制礦用防爆電機的方案；二是一體變頻電動機方案。分體式變頻軟啟動方案在兗礦集團、平煤集團和神東集團有一定的應用，而一體式變頻電動機已經有十多套裝備到了神東礦區(qū)。在一體化變頻電動機制造方面，德國走在了前列，突破了原有IGBT的耐壓值，研制出了3 300 V礦用一體化變頻電動機。國內也有很多公司積極參與研發(fā)一體化變頻電動機，但核心元件仍然主要依靠進口。

變頻調速軟啟動裝置在刮板輸送機的應用過程中，還有兩個主要問題急需解決：

1）變頻控制系統的研制。電機在工作的過程中，由于負載不均勻導致多臺電動機的輸出功率不平衡，這樣會使部分電動機過載從而損壞甚至燒毀電動機。而變頻控制系統的作用就是要實現運輸系統的協調控制以及平衡各電機之間的功率。在控制策略上采用“一主機兩從機”的控制策略，從而使各電機的輸出功率盡量相等。普通電動機只能按照設定好的固定階梯速度運行，無法根據負載的變化靈活的調節(jié)速度，當負載很小時，也會以比較高的轉速運轉，加大了電費開支與設備磨損。變頻控制系統依據電流判斷電機功率的大小，并以此作為依據調節(jié)電機轉速，同時電機速度還要與采煤機電機轉速和帶式輸送機電機轉速進行協調控制，從而對系統整體進行優(yōu)化。嵌入式控制系統多以ARM、DSP為控制核心，體積較小，在處理較大量的數據時往往速度很慢，并且抗干擾能力不強，所以本文推薦以工業(yè)級計算機為核心開發(fā)變頻控制器[4]。

2）諧波干擾抑制技術。對于變頻控制器和電動機分離的系統中，電動機和變頻控制器之間的動力電纜相對較長，有一些雜散的電容，從而產生了一些容性漏電流，高次諧波激勵這些漏電流性能衰減振蕩，導致電動機因過電壓而損壞；并且這些來自動力電纜的電力會對電動機和供電系統造成干擾。采用一體化設計的變頻電動機，由于電動機和變頻器被統一裝入了隔爆殼體內，相互之間的動力線很短，從而解決了動力線造成的諧波干擾[5]。但是由于電網與變壓器是通過開關與動力電源連接的，所以還是會對電網有一定的諧波干擾。目前常用的解決方案有兩個：一是在電源輸入側接LC濾波器；二是采用兩臺移動變壓器來供電，并且兩臺變壓器的相位差為30°。

4 結語

實現重型刮板說送機成套裝備智能化的關鍵是能成熟應用遠程工況監(jiān)控技術、鏈條故障診斷技術、變頻調速軟啟動技術、鏈條故障智能診斷技術、鏈條張力自動控制技術。鏈條故障診斷、鏈條張力自動控制以及遠程工況監(jiān)控技術綜合了工業(yè)以太網、無線網、現場總線、工業(yè)計算機、嵌入式、霍爾傳感器等技術。在變頻調速技術方面，國內廠商在變頻控制器和一體化變頻電動機的研發(fā)方面需要投入更多的精力，重點解決可靠性、穩(wěn)定性差以及核心元件主要依賴進口的問題。同時重型刮板輸送機成套裝備智能化進程也應不斷借鑒其他領域的先進技術，提高煤礦自動化程度和生產效率。