采煤機搖臂運行狀態監測系統的應用研究

康國俊

（西山煤電集團公司鐵路公司，山西 太原030053）

隨著科學技術的不斷發展，以采煤機為代表的大型自動化綜采設備已經廣泛應用在煤礦井下綜采作業過程中，極大的提升了煤炭的綜采效率。采煤機在綜采作業過程中主要依靠搖臂角度的調整來滿足不同高度下的截割作業需求，在工作過程中搖臂需要承受截割作業時的截割沖擊等，導致搖臂工作穩定性差，一旦出現故障就需要停機由維修人員進行故障查找和排除，效率極低，嚴重影響了煤礦井下的綜采作業效率。在對采煤機搖臂故障進行統計分析的基礎上，本文提出了一種新的采煤機搖臂運行狀態監測系統，其采用了智能監控的理論，通過對采煤機搖臂運行狀態和理論狀態進行對比，判斷出差異點，在報警的同時能夠對故障位置和初步原因進行分析，幫助維修人員實行快速定位，根據實際應用表明該搖臂運行狀態監測系統能夠快速準確的實現故障定位，使采煤機停機維護時間降低了74.3%以上，平均故障排除時間降低了86.4%，對提升采煤機的運行穩定性和使用壽命具有十分重要的意義。

1 采煤機搖臂運行狀態監測系統

根據對采煤機搖臂運行故障的分析，目前采煤機搖臂的故障主要包括三種形式。第一種是采煤機搖臂內部的齒輪、軸承、行星架等傳動機構在沖擊、重載運行時的過渡磨損失效或者斷裂失效。第二種是搖臂油箱或者液壓機構處的漏液現象，若不及時處理將導致齒輪磨損加劇，嚴重影響搖臂使用壽命和穩定性。第三種是采煤機運行過程中由于操作不當導致的截齒斷裂、傳動系統過熱等故障。

針對采煤機常見的故障類型，在進行搖臂運行狀態監測系統設計時要求系統能夠對采煤機搖臂運行時的油液溫度、壓力和搖臂運行時的振動情況進行實時監測，當監測結果超出系統設定的安全范圍時開啟聲光報警并自動指示故障位置、提供初步的故障原因提示，便于工作人員能夠在第一時間確定故障具體原因并進行修復[1]。

結合采煤機搖臂運行狀態監測需求和采煤機的實際運行要求，新的采煤機搖臂運行狀態監測系統采用了集控時的監控結構，如圖1所示[2]。

圖1 采煤機搖臂運行狀態監測系統結構示意圖

由圖1可知，該搖臂狀態監測系統以PLC為監測系統為核心，同時在系統內還設置有穩壓電源模塊和顯示屏，便于保證在緊急狀態下的工作穩定性。該監測系統主要是對采煤機運行時各液壓腔內的油液的溫度、搖臂工作時傳動系統的振動情況以及搖臂工作時的范圍角進行監測。對搖臂油液溫度和振動情況的監測主要是通過溫度和振動傳感器，對采煤機搖臂工作范圍角的監測是通過在采煤機的搖臂上設置角度傳感器來進行判斷。該監測系統具有結構簡單、監測穩定性好、可靠性高的優點，能夠實現對采煤機搖臂工作時核心參數的智能監控和報警。

2 傳感器設備選型及工作原理

傳感器是該監測系統的核心，其工作的穩定性和精度直接決定了搖臂監測系統的工作可靠性，因此對傳感器設備具有很高的工作穩定性要求。由于在整個監測系統中監測點位多，因此為了考慮系統成本，采用了多路模擬信號同步通道切換的數據傳輸方案，對多監測點的數據信號同步解析，然后按優先等級進行模擬輸出，確保了數據傳輸的精確性和經濟性。

對采煤機搖臂工作溫度的監控主要是傳動齒輪箱溫度、軸承穩定、搖臂轉動處穩定、行星頭溫度等，為了保證溫度判別效果的一致性，要求采用同類型的傳感器。經過對多種類別傳感器的驗證，最終決定選用K型熱電偶，其采用了雙材質導體能夠滿足在空氣、油液內的監測精度需求，同時為了確保不同導體下溫度監測的準確性，該熱電偶采用了溫度補償控制邏輯，根據實際監測溫度和補償溫度來確定最終的實際溫度，監測精度可達4.3 mV/100℃，具有監測精度高、靈敏性好的優點，其監測原理如圖2所示[3]。

圖2 K型熱電偶監測原理示意圖

對采煤機搖臂振動狀態的監測，既要滿足對微小振動的監測需求又要能夠準確區分在沖擊載荷下的正常振動，因此針對異常振動會發出規律且連續振動的信號而沖擊載荷在的振動會迅速衰減的情況，提出了采用CT-SD-01型壓電式傳感器[4]，在工作時首先從振動源處接收到振動量，然后通過壓電元件將振動量轉換為電量，通過放大電路的處理后經積分電路和變送電路的分級處理，最終轉換為電流信號輸出。振動傳感器的振動信號采集原理如圖3所示。

3 采煤機搖臂監測系統應用效果

目前該采煤機搖臂運行監測系統已經在多個煤礦進行了應用，監測系統的監控畫面如圖4所示。

圖3 振動傳感器工作原理示意圖

圖4 采煤搖臂監測系統界面示意圖

通過對該搖臂監測系統應用以來采煤機工作狀態的分析，該系統能夠精確的對搖臂運行過程中的關鍵參數進行監控，一旦超出設定值能夠及時進行聲光報警，提醒工作人員提前對異常點進行排查，避免了因異常導致停機后才對故障進行排查而影響井下綜采效率。根據實際應用表明該搖臂運行狀態監測系統能夠快速準確的實現故障定位，使采煤機停機維護時間降低了74.3%以上，平均故障排除時間降低了86.4%，對提升采煤機的運行穩定性和使用壽命具有十分重要的意義。

4 結論

針對目前采煤機搖臂在高強度工作條件下容易出現故障、人工排查效率低，嚴重影響井下綜采作業穩定性的情況。提出了一種采煤機搖臂運行狀態監測系統，利用傳感器設備對運行時的狀態進行實時監測，根據實際應用表明：

1）采煤機搖臂狀態監測系統以PLC為監測系統為核心，具有結構簡單、監測穩定性好、可靠性高的優點，能夠實現對采煤機搖臂工作時核心參數的智能監控和報警。

2）傳感器選型應滿足高可靠性和高精度監測需求，用了多路模擬信號同步通道切換的數據傳輸方案，對多監測點的數據信號同步解析，然后按優先等級進行模擬輸出，確保了數據傳輸的精確性和經濟性。

3）臂運行狀態監測系統能夠快速準確的實現故障定位，使采煤機停機維護時間降低了74.3%以上，平均故障排除時間降低了86.4%，對提升采煤機的運行穩定性和使用壽命具有十分重要的意義。