刮板輸送機故障在線監測系統設計研究

張 林

（馬堡煤業有限公司，山西 長治 046300）

煤炭作為當今社會發展的主要能源，在能源結構中占據著重要的地位。現階段煤炭的開采主要是依靠綜采設備來完成的，刮板輸送機作為綜采設備中重要的組成部分，其承擔著煤炭的裝載、運輸以及作為采煤機的運行軌道的重要作用[1]。刮板輸送機與采煤機、液壓支架等大大提升了采煤的工作效率和安全性。在實際使用過程中刮板輸送機經常會發生故障，影響到刮板輸送機的開機率，降低了煤炭生產企業的經濟效益[2]。因此對刮板輸送機的運行狀態進行監控，實時掌握其故障情況并進行全面分析，明確故障原因對刮板輸送機有著非常重要的作用[3]。

1 刮板輸送機故障在線診斷系統采集信號分析

1.1 信號傳輸線路分析

在煤礦井下信號傳輸的過程中會出現信號阻抗的情況發生，會導致信號在傳輸的過程中出現削弱的情況，為了保證信號傳輸的安全性和可靠性，需要對信號傳輸的損失情況進行分析。本次設計的刮板輸送機故障在線監測系統由于其信號線使用的是直流電，其計算公式為：

式中：L——信號線長度，m；

A——信號線的截面面積，mm2；

C——絞入系數；

ρ20、ρQ——20 與Q℃室溫下的信號線的電阻率，Ω·mm2；

a——電阻溫度系統一般情況下取值為0.004；

θ——導線的實際工作溫度。

由于本文設計的刮板輸送機故障在線監測系統選用的信號線為MHY32，是屬于雙股信號，其單股截面面積為1mm2。在實際煤礦井下的相關規定，其井下溫度不能超過26℃，選定其使用長度為500m，一般情況下信號線內部電流為4～20mA，經過計算可得，該信號線的信號傳遞損失情況能夠滿足實際使用要求。

由于煤礦井下環境中含有大量的瓦斯，屬于易爆環境，刮板輸送機故障在線監測系統其在日常工作的過程中由于設備元器件損壞或者是啟停時會產生電火花，為了防止電火花導致井下氣體的燃爆需要對其進行本安設計。本文所設計的刮板輸送機故障在線監測系統其設計的防止產生爆炸的結構式采用安全柵的方式將所有電路進行集中安裝，作為一個能量限制接口，以達到對所有設備確保其能夠處于安全狀態。安全柵的使用如圖1所示。

圖1 安全柵的應用

1.2 刮板鏈組的信號分析

刮板輸送機在日常運行的過程中刮板鏈出現的問題一般都是由于飄鏈、斷鏈等問題影響到刮板輸送機的運行方式。刮板輸送機故障在線檢測系統利用刮板鏈之間的時間間隔來進行判定刮板鏈是否出現了故障。在刮板輸送機正常穩定運行情況下，刮板鏈之間的時間間隔是相同的，其間隔時間由下式求得：

式中：t——間隔時間，s；

S——刮板輸送機刮板鏈之間的距離，m；

V——刮板輸送機刮板鏈的運行速度，m/s。

本文設計使用的刮板輸送機為煤礦使用的SGZ800/750型號的刮板輸送機，該刮板輸送機正常情況下的刮板鏈的轉速為1.31m/s，刮板鏈之間的間距為1.008m，根據式（3）計算可得其刮板鏈之間的時間間距為0.769s，一般情況下由于刮板鏈長時間的運轉或者是由于負載情況時，刮板鏈之間的間距會變大，因此在實際刮板鏈之間的時間間隔設置為0.8s。在煤礦井下實際使用的刮板輸送機一般長度都比較長因此本文設計的刮板輸送機故障在線監測系統的刮板鏈之間的監測點位選取有五個，其中刮板輸送機的機頭、機位各一個，中間位置一個，機頭機尾與中間位置段的中點處各設置有一個。

2 刮板輸送機故障在線監測系統硬件設計

刮板輸送機故障在線監測系統是由信號采集裝置、PLC 控制器、上位機以及軟啟動器等組成的，實現刮板輸送機的啟動、運行、在線監測以及故障診斷等功能。其中信號采集裝置是作為采集終端對刮板輸送機的各個狀態進行監控的，例如溫度、轉速等信號，并將此類物理信號轉換成為電信號進行信息的傳遞，PLC控制器在接收到狀態信號后對數據進行分析，控制刮板輸送機的電機的轉動，同時在人機顯示界面上顯示數據信息。刮板輸送機的功率是比較大的，其啟動時屬于大功率重載啟動，為了保證啟動能夠在安全、穩定的前提下，刮板輸送機的啟動采用的是調頻調壓軟起動器。上位機能夠顯示人機交互界面，實時顯示刮板輸送機的運行狀態以及出現故障后的相應故障情況，記錄相關信息以備工作人員查看。由于煤礦井下環境條件惡劣，為了保證信號傳遞的穩定性防止信號干擾，系統的各個模塊之間使用信號線直接連接。刮板輸送機故障在線監測系統的系統結構圖如圖2所示。

圖2 刮板輸送機故障在線監測系統的系統結構圖

本文所設計的系統是以SGZ800/750 型刮板輸送機為例進行設計的，該型號的刮板輸送機設計有五個信息采集點，其中位移傳感器使用的MTC-500mms-Ex型磁致伸縮位移傳感器，主要是監測刮板輸送機的機頭或者機尾是否發生了翹翻。當發生翹翻時，機頭機尾安裝的MTC-500mm-s-Ex 型磁致伸縮位移傳感器，兩者檢測到900 的數據位置差就會相對較大，其距離超過規定安全范圍后就會產生報警信號以及即聽信號，保證刮板輸送機的安全。利用PT100 溫度傳感器監測電動機的溫度、減速器的油溫，液力耦合器的油溫使用GWH300紅外溫度傳感器進行監測。對于液力耦合器的液位進行監測采用的是MTL液位傳感器，電動機的轉速傳感器采用的是GMP-D-16 型號轉速傳感器，該設計中的轉速傳感器主要用于測量電動機是否啟動，設置其為5s監測是否有大于4mA的電流輸出，如果有說明電動機不存在啟動故障。

刮板輸送機在正常運行過程中其刮板鏈、鏈條是作為主要的牽引機構實現對刮板輸送機上的煤塊進行移動的，其槽體是作為整個設備的支撐來運行的。隨著當今煤炭開采速度的逐漸加大，刮板輸送機需要運輸的煤炭的效率要求越來越高。刮板輸送機的啟動耗能問題就越來越突出，為了防止刮板輸送機在啟動時產生巨大的能耗、電流沖擊，需要對刮板輸送機的啟動方式進行設計和選擇。目前刮板輸送機主流使用的啟動方式主要有雙速電動機、限矩型液力耦合器，這兩種方式在實際使用過程中都存在著一定的問題，導致刮板輸送機在運行過程中產生巨大的能耗和不穩定性。因此針對目前煤礦使用的大型、大負載的刮板輸送機需要吸取上述兩種方式的優點，規避其缺點進行設計。本文設計刮板輸送機啟動采用的是QJRP-400/1140 型號的調頻調壓啟動器，對電路起到過流、過載、缺相等保護作用，從而大大降低了刮板輸送機在實際啟動過程中的啟動能耗。

3 刮板輸送機故障在線監測系統程序設計

3.1 電動機啟動部分程序設計

刮板輸送機在綜采工作面工作時，由于本身是作為牽引機構來對煤炭進行輸送的，在實際工作時，經常會由于其他原因導致刮板輸送機停機。當其再次啟動時會由于刮板輸送機溜槽堆有煤炭造成載荷超負，這就對電動機的啟動提出了更高的要求，需要較大的啟動電流才能進行啟動。因此對刮板輸送機的電動機啟動采用的是調壓調頻軟起動方式。針對電動機軟件啟動方式的程序設計如圖3所示。

圖3 電動機軟件啟動方式的程序設計

3.2 刮板鏈組監測程序設計

根據第一節中的刮板鏈經常出現的故障情況，據此需要對刮板輸送機經常出現故障的部分進行監測。刮板輸送機的刮板鏈組監測程序設計圖如圖4所示。圖中的GRT指令是比較指令，通過比較檢測到的電壓值和預設的電壓值，當有電壓證明刮板輸送機的刮板鏈正常經過監測點，當上一道刮板鏈經過之后，斷延時時間計數器開始計時，比較兩個刮板鏈經過的時間，當其大于0.8s時，則說明刮板鏈組出現了故障，輸出報警啟動。當刮板鏈正常時，其經過各個監測點的時間不會超過0.8s，也不會有報警輸出。

圖4 刮板輸送機的刮板鏈組監測程序設計

3.3 溫度、液位和機頭/尾翹翻檢測程序設計

溫度、液位和機頭/尾翹翻監測程序相對來說是相似的，通過傳感器測量值與預設值進行比較，當測量值超過預設值時，發出報警。以機頭液力耦合器溫度過高監控程序為例。

4 總結

刮板輸送機作為煤礦綜采設備中的重要組成部分，其在日常運行過程中經常會出現故障，通過長期的觀察發現刮板輸送機的大多數故障是刮板輸送機刮板鏈造成的，其主要有斷鏈、飄鏈以及底槽出鏈等故障，還有就是電動機、機頭機尾翹翻以及連接等故障。綜合故障原因以及刮板輸送機綜采工作面工作環境提出了刮板輸送機故障在線監測系統，通過信號采集模塊對刮板輸送機的多項參數進行監測，例如溫度、位移等傳感器，將檢測到的數據傳遞到PLC 控制器通過將檢測到的數據與預設數據進行對比，實現對刮板輸送機實時狀態的監控。刮板輸送機故障在線監測系統能夠有效地對刮板輸送機的運行狀態進行了解，降低了刮板輸送機的故障率，工作人員能夠快速地通過系統了解到刮板輸送機的故障情況，提高了維修效率，促進煤炭高效開采。