采煤機傳感器應用現狀與展望

黃秋來

(天地科技股份有限公司 上海分公司, 上海 200030)

0 引言

采煤機是煤炭井工開采的主要設備之一。隨著國家“煤礦開采裝備智能化”戰略的推進，為了提高設備的智能化程度、改善工人勞動條件和提高礦井的生產效率，采煤機傳感器技術在智能礦山建設中的作用也越來越重要。本文主要探討了當前采煤機各類傳感器的應用現狀，并對未來采煤機用傳感器的發展方向提出展望[1]。

1 采煤機傳感器應用現狀

采煤機自動化技術的實現，實質上就是各類傳感器的應用，通過傳感器檢測各類數據變量，接入到電控系統進行邏輯判斷而實現對采煤機的控制與保護。從應用在采煤機搖臂、牽引部內部傳動箱里的溫度傳感器，到檢測最小安全距離的毫米波雷達，采煤機機身裝載的傳感器已達數十種，并由此開發出一系列控制程序構成了采煤機自動化技術的基礎。下文將分別對當前采煤機上主要的幾種傳感器應用現狀進行梳理，并指出實際應用中存在的問題。

1.1 溫度傳感器

溫度傳感器是采煤機最常見的配置，通常用來檢測各電機繞組溫度和齒輪傳動箱內部油液溫度，起到過熱停機保護的功能。

1) 采煤機電動機均在電動機內部預埋溫度傳感器，溫度傳感器的感溫元件大多為PT100型正溫度系數熱敏電阻，量程范圍為-40℃～200℃，輸出電阻信號，采用8.5 mm電纜接入傳感中心顯示數據。

2) 齒輪箱溫度傳感器以螺紋擰入的方式與殼體連接，只需在箱體外部增加一個螺紋孔與油池連通即可，安裝方便，檢測精度也較高。采煤機搖臂中部下方及牽引減速箱下方均設計有M22×1.5 mm的螺紋孔，用以安裝溫度傳感器,其安裝示意圖如圖1所示。

從目前應用情況看，溫度傳感器的使用效果還是不錯的，可以滿足溫度檢測的需要。但溫度傳感器安裝在殼體外部，傳感器引線容易被雜亂的水管或油管碰壞，需要增加外部保護。

圖1 溫度傳感器安裝

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器通常并聯接在采煤機的油路和水路系統中，用以檢測管路壓力。油路中通常串接在背壓回路，背壓用來控制手液動換向閥和制動閘的開啟和關閉。采煤機機身水路分為高壓、低壓兩路，低壓水用來冷卻電機、變頻器。壓力傳感器可實時檢測冷卻水路壓力，當壓力未達設定值時可控制采煤機停機。壓力傳感器量程范圍在0～60 MPa，采用18 V直流電源供電，輸出信號4～20 mA，固定方式有常規的M20×1.5 mm螺紋和其他若干種管螺紋規格可選,其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 壓力傳感器安裝示意圖

水壓傳感器需接在采煤機先導回路中控制啟停，在實際應用中，如果工作面的供水壓力不穩定,將會導致水壓傳感器實時檢測數值達不到送電要求，采煤機無法啟動，因此許多煤礦會將此傳感器節點甩開使用。

1.3 流量傳感器

流量傳感器通常與壓力傳感器同時使用，串接在低壓水路中，對采煤機變頻器頂底板、立板水道的冷卻水支路進行實時監測，提供該支路水流量數據,從而判斷是否達到冷卻效果設定值。

流量傳感器采用12～24 V直流電源供電，輸出信號4～20 mA，量程范圍10～60 L/min，工作壓力不大于80 MPa,其外形如圖3所示。

圖3 流量傳感器外形

流量傳感器與水壓傳感器所起的作用相似，可判斷冷卻水流量是否滿足部件的冷卻要求，一旦達不到設定值便會啟動停機保護功能，因此要求煤礦的井下供水系統具有穩定性。

1.4 搖臂擺角傳感器

采高控制是采煤機自動化的關鍵點。搖臂擺角傳感器是實現搖臂擺動角度變化達到采高精確控制的關鍵元件[2]。搖臂通過鉸軸與牽引箱體連接，擺角傳感器固定安裝在牽引箱體的基座上，連桿固定在搖臂上，通過連接精密伺服旋轉電位器測量搖臂與機身水平線之間的夾角，根據機器相應的幾何尺寸參數，計算采煤機的實時采高。搖臂擺角傳感器組件如圖4所示，安裝示意圖如圖5所示。

圖4 擺臂擺角傳感器組件

圖5 搖臂擺角傳感器的安裝

搖臂擺角與采高關系如圖6所示，從圖6中可以推算采高H與擺角α的換算關系式為：

H=D/2+H1+L·sinα

(1)

式中:H為采高;D為滾筒直徑;H1為傳感器安裝中心距底板高度;L為搖臂回轉中心到滾筒中心距離;α為連桿與機身水平線夾角(檢測角度在-20°～﹢60°)。

圖6 搖臂擺角與采高關系

擺角傳感器由許多鋼制零部件組成，井下環境潮濕，如果普通材質不進行防銹處理，很快就會發生銹蝕，一旦發生銹蝕，會影響傳遞精度并產生較大阻力，這是目前其頻繁損壞的主要原因。可采用不銹鋼材質改善抗銹蝕能力，或采用完全封閉式結構，加裝密封圈防水，提高擺角傳感器的使用壽命。

另外，擺角傳感器的精度直接影響采高檢測，進而影響自動化割煤，特別是對長搖臂而言，偏差1°時影響的采高可達數百毫米。在不考慮外界振動因素影響的情況下，電位計式擺角傳感器的檢測精度基本為實測值，但在滾筒空載狀態下進入割煤一瞬間的沖擊會導致搖臂相對于牽引箱發生振動，這樣的角度偏差會被擺角傳感器檢測到并反饋到采高計算程序中，某些情況下會對搖臂的自動升降發出錯誤指令油缸位移傳感器將位移傳感器安裝于采煤機調高油缸內部，通過磁環隨活塞桿位移產生脈沖信號，計算脈沖運行時間換算得到活塞桿位移量，代入活塞桿位移與采高關系公式即可求得采煤機滾筒的實時采高。這種位移傳感器受工況影響較小、抗振動沖擊性較好，但缺點是油缸為易損件，更換位移傳感器較困難，且關系公式為非線性，數據精確度較低。油缸位移傳感器安裝如圖7所示。

圖7 油缸位移傳感器

油缸伸長量與采高、臥底的數學推導公式比擺角傳感器更為復雜，采高與油缸長度關系為非線性關系，圖8為某厚煤層采煤機上置式油缸的位移與采高關系。

圖8 油缸位移傳感器

油缸位移傳感器布置在油缸內部，須對油缸活塞桿進行打孔，對于薄煤層細小直徑的油缸來說，會因打孔而嚴重削弱油缸活塞桿的強度。另外，包含位移傳感器的油缸生產復雜程度較高，價格較為昂貴。

1.5 位置編碼器

采煤機在采煤工作面中的定位坐標對于工作面自動化系統工程非常重要，獲取的位置參數可以提供給記憶截割、自動移架等后續程序使用。

位置編碼器采用多圈絕對型光電編碼器，為了更好地保護位置編碼器，通常將位置編碼器安裝在牽引傳動箱體內部的高速級軸端。按高速級與行走輪的減速比換算得到編碼器每轉動一圈采煤機前進的距離，再將數據發送到傳感中心。位置編碼器安裝如圖9所示。

圖9 位置編碼器安裝位置

位置編碼器裝在高速軸上，經過兩級行星機構減速后傳遞到行走箱，因此需要計算編碼器旋轉一周采煤機行進的距離，編碼器轉動一圈采煤機行走距離計算公式如下：

S=k·L·z

(2)

k=1/(k1·k2·k3)

(3)

式中：k1、k2、k3分別為一級行星機構、二級行星機構、行走箱的傳動比;L為行走輪節距，mm;z為齒數。

通過設定位置編碼器零位，讀數旋轉圈數得到采煤機的行走距離，進而得出采煤機當前所處的位置。位置編碼器有累計誤差，經過一段時間的運行后需要歸零校準。

1.6 振動噪聲傳感器

針對滾筒截齒破碎煤巖所產生的蘊含煤巖分界特征的信號(二次效應)產生機理，在信號相關性分析和檢測優化研究的基礎上，研制出振動噪聲傳感器，并研制配套的可用于井下現場安裝使用的防爆型截割二次效應信號的高速高精度采集存儲裝置[3]。

振動噪聲傳感器和采集存儲裝置安裝于采煤機搖臂的適當位置，進行實際生產截割煤巖的過程中的各種選定參數(負荷、振動和噪聲等)信號的數字化采集存儲工作。振動噪聲傳感器及分析裝置井下安裝圖如圖10所示。

圖10 振動噪聲傳感器安裝

從振動噪音傳感器采集的數據中提煉有效信息的過程較為復雜，主要通過對各類信號進行多分辨力的頻譜和功率譜分析(FFT)，小波變換分析(Wavelet)等，研究建立多維特征信息融合模型，目前尚處于試驗研究階段[4]。

2 存在的問題

由于采煤機的工作條件為粉塵、潮濕環境，且在截割煤巖時機身振動較大，傳感器在井下的應用中存在以下幾個問題：

1) 體積較大，安裝突兀。為了達到防爆要求，礦用傳感器通常有加裝防爆外殼，導致體積較大，安裝在機身上顯得不協調，影響機身外觀。

2) 保護困難，可靠性較低。傳感器大多安裝在機身外表，如擺角傳感器、水壓水量傳感器，保護傳感器不被煤塊擠、砸而受損，又要方便檢修、調試，也是難點之一。

3) 背景噪音分離困難。如目前的紅外成像傳感器、振動噪聲傳感器、毫米波雷達等技術，在采煤機工作時獲得的信號數據較多，背景噪聲冗余的剔除程序較為復雜。

4) 抗振、穩定性較低。傳感器都是電子元器件，割煤過程中帶來的強烈振動很容易導致傳感器失效或讀數漂移，穩定性有待提高。

3 發展展望

井下開采環境惡劣的現狀和對采煤機智能化程度要求的日益提高之間的矛盾，是未來采煤機傳感器技術發展的主要難點所在[5]。

1) 提高傳感器的可靠性。采煤機處于多污水和多煤塵環境，工況較為惡劣，且機身振動大，因此，對傳感器的可靠性提出更高的要求。例如搖臂擺角傳感器在自動化割煤中舉足輕重，但在實際應用中存在銹蝕、連接搖桿斷裂等故障，使用壽命短，擺角傳感器組件的改進迫在眉睫。

2) 開發低功耗小型化智能型無線傳感器。采煤機結構復雜，有的部位難以安裝普通的有線傳感器，需要無線型傳感器。開發低功耗小型化智能無線傳感器，構建由無線傳感器組成的分布式智能控制網絡，可實現采煤機的自適應控制。

3) 開發新型非接觸型傳感器。開發基于紅外線、微米波等新型非接觸式光電傳感器，增強采煤機對環境的感知能力。

4) 開發配套的先進控制程序。傳感器讀取的數據最終為程序所用，如果沒有合適的處理程序，則無法提煉有效信息，甚至造成數據冗余。如果振動傳感器信號采集的數據量較大，且包含較為復雜的背景噪聲數據，編寫相應的數據分析程序可以有效地推進機載故障診斷軟件的應用[6]。當前很多故障自診斷軟件均基于實驗室數據，數據量較少且與實際工況有較大差別，實際應用效果并不理想。未來采煤機傳感器的應用離不開新程序的開發。

4 結論

采煤機是井下復雜機電綜合體，但由于工況條件限制，其自動化、智能化程度遠不及一些普通的工程機械。

通過對傳感器技術的應用介紹和現狀分析，提出一些改進思路和對未來采煤機傳感器的展望。隨著“智慧礦山”建設的持續推進，將來有望真正實現采煤機的智能化和采煤工作面的無人化開采。