采煤機截割開采智能化監測系統研究

劉志鑫 黃德光 劉道龍

（山東能源棗礦集團濱湖煤礦，山東 棗莊 277000）

目前，大多數采煤機都實現了牽引速度手動和自動控制，而采煤機滾筒自動調高控制仍在探索階段[1]。智能化采煤機工作狀態監測系統是智能化采煤機自動控制系統的核心問題，因為涉及到截割時煤巖層界面的確定，而導致研究工作難度大、進展慢[2]。目前對采煤機自動控制方面的研究主要根據識別的煤巖界面來確定采煤機的截割路徑和通過前一次截割循環中采煤機在同一位置的截割高度推斷出本次截割循環中采煤機截割高度的記憶截割[3-5]?？梢?，真正意義上實現智能化采煤機的自動控制還有很多的研究工作需要完成。

1 智能化采煤機監測系統設計

1.1 系統功能

智能化采煤機工作狀態監測參數涉及多達幾十種，按所屬系統可以分為采煤機位姿信息、截割電機信息、牽引電機信息、搖臂信息、總線系統等；按信號的種類可以分為模擬量信號、開關量信號等。

1.2 總體設計及思路

（1）總體設計

智能化采煤機監測設計分為兩大部分：上位機交互界面設計與下位機傳感單元設計。根據下位機設計方式的不同，信號模塊分為兩種方案：一種是按傳感器信號的種類劃分信號模塊，一種是按信號所屬系統劃分信號模塊。

方案一：此方案將下位機信號模塊分為開關量信號模塊、模擬量信號模塊、數字量信號模塊、頻率量信號模塊等。

方案二：該方案將傳感模塊分為多個模塊，具體包括采煤機位姿監測模塊、牽引電機信息模塊、搖臂信息模塊等。

方案二相對于方案一而言，不僅克服了信號歸類混亂等缺點，而且信號模塊以信號所屬系統劃分，不僅方便管理，而且便于信號的統計和通信地址的分配。

綜合上述考慮，選擇方案二設計。

1.3 系統軟件設計

上位機人機交互界面設計采用各類信號的模式進行設計；根據采煤機信號的類型分為采煤機位姿信號、截割電機信號、牽引電機信號、搖臂信息等。此外，添加了串口通信設置選項，用于串口的選擇和配置。系統軟件工作主流程圖如圖1。

圖1 系統軟件工作主流程圖

2 震動傳感器單元研制

2.1 無線振動傳感器設計原則

設計旨在解決現有傳感器安裝布線難的問題，消除了傳統采集系統模擬信號傳輸中存在的嚴重干擾，有效提高信噪比，使拾取矢量參數能夠高保真、高速高精度的傳輸。無線振動傳感器設計過程中采用了三軸MEMS 加速度傳感器、三軸MEMS 陀螺儀技術、無線傳感器技術等，設計過程中盡可能簡化振動數據采集中的電路。

2.2 傳感器單元性能測試

為了實現煤礦井下采煤機截割振動測試實驗，根據本安電路設計原則，利用振動傳感器芯片MPU6050、無線傳輸芯片CC-2530、微控制器芯片STM32F103VET6 以及接口芯片設計出一種本安型無線振動傳感器。

3 智能化采煤機截割監測試驗

3.1 試驗設計

由于試驗條件的限制，采煤機試驗模型是以MG300 電牽引采煤機為原型，實際采煤機機身總長為5940 mm，兩行走輪跨距為4860 mm，搖臂有效長度為2160 mm，實現采高范圍為1.9～3.8 mm，最大臥底量可達到464 mm。研究無線振動傳感器采集采煤機搖臂的振動信號，根據相似原理簡化采煤機的結構，而采煤機滾筒的直徑、滾筒的寬度為設計的基本參數，在此基礎上對模型進行優化，使模型結構簡單，能滿足試驗性能要求。采煤機的基本結構圖如圖2。

圖2 采煤機的基本結構圖

其工作原理如下：（1）采用電機驅動采煤機模型的滾筒，電機和滾筒之間通過同步齒形帶連接。（2）采煤機在刮板運輸機上沿工作面方向行走。智能化采煤機工作狀態主控制界面如圖3。

圖3 智能化采煤機工作狀態主控制界面

（1）試驗步驟

① A302EX 傳感器有磁性，直接吸附在采煤機搖臂的頂部就可以，而研制的本安型振動傳感器和傾角傳感器需要用502 膠固定在搖臂頂端，用來采集軸承的振動信號和傾角信號。

② 研制傳感器的接收網關直接連接到計算機，將采集的信號數據保存起來。

③ 靜止時，測量噪聲信號。分別測量搖臂模擬切割、電機啟動機械系統平穩模擬切割、采煤機行走過程切割狀態的振動信號和傾角信號，并將采集到的信號保存起來。

（2）試驗注意事項

① 正確安裝傳感器，遵循“就近原則”，在監測或者診斷某位置時將傳感器安裝在該部件上，一般放在該部件正上方。

② 由于傳感器的輸入靈敏度高，要正確接地，盡量避免靠近各種干擾源量的準確度。

3.2 試驗結果分析

（1）以采煤機模型為被測對象，電機工作頻率50 Hz，采煤機靜止時測得搖臂振動測試點振動信號如圖4。采煤機靜止時，搖臂的三個軸傾角分別為128°、91°、38°，圖中三個軸的幅值變化不大，屬于噪聲干擾，可以從頻域圖得知。

圖4 臂振動測試點信息1

（2）采煤機滾筒轉動時測得搖臂振動信號信息如圖5，包括振動信號的時域圖、頻域圖以及搖臂的傾角圖。采煤機滾筒轉動時，由于振動的影響，搖臂的三個軸傾角分別為128°、91°、38°波動。從時域圖和頻域圖可看出，原始信號時域圖中y 軸振動幅度較大，頻域圖最高幅值為0.021，滾筒的轉動主要引起y 軸的變化。

圖5 臂振動測試點信息2

（3）采煤機滾筒轉動時，由于振動的影響，搖臂的三個軸傾角分別為128°、91°、38°波動，y 軸、z 軸較第二種情況波動大。由時域圖和頻域圖可看出，原始信號時域圖中y 軸振動幅度較大，頻域圖200 Hz 最高幅值為0.08，主要來自電動機的影響，330 Hz 最高幅值為0.024，x 軸最大幅值0.013，z 軸最大幅值0.015，三個軸的振動發生變化。

（4）電機啟動采煤機行走滾筒模擬切割時測得搖臂振動信號。采煤機滾筒轉動時，由于振動的影響，搖臂的三個軸傾角分別為128°、91°、38°波動，波動變大。由時域圖和頻域圖可看出，原始信號時域圖中y 軸振動幅度較大，頻域圖200 Hz 最高幅值為0.055，主要來自電動機的影響，330 Hz 最高幅值為0.033。

4 結論

（1）設計智能化采煤機工作狀態監測系統總體方案及各部分模塊的功能實現形式；完成智能化采煤機工作狀態監測系統的總體設計。

（2）提出基于振動特性監測智能化采煤機截割狀態的方法，根據設計原則設計出一種本安型無線振動傳感器。通過樣品測試，對其結構進行優化，以滿足最小尺寸、最低功耗、便于攜帶與安裝的要求。

（3）設計實驗室模擬采煤機不同載荷試驗，對設計智能化采煤機工作狀態監測系統試驗測試，結果表明具有良好的穩定性和可靠性。