刮板輸送機卡鏈原因分析及監測系統設計

李 川

（山西焦煤西山煤電西銘礦機電科，山西 太原 030052）

引言

刮板輸送機作為煤礦綜采工作面的主要運輸設備，其主要功能是運送由采煤機破碎后的原煤，并為液壓支架和采煤機提供推移支點和行走軌道，當刮板輸送機發生故障停機時，將對煤礦生產作業帶來巨大影響和損失[1-3]。刮板輸送機主要由驅動裝置和傳動機構組成，其中驅動裝置包括驅動電機、減速器等電氣設備，傳動機構主要由鏈條及刮板組成[4-6]。在刮板輸送機的故障類別中，由鏈條異常引起的飄鏈、卡鏈及斷鏈最為常見，當出現上述故障時，最能直觀反映故障情況的是鏈條張力，因此輸送機鏈條的自動張緊及張力監測技術是保證刮板輸送機可靠運行的主要技術手段。

目前針對刮板輸送機的監控系統大多存在監測量不全、缺少故障診斷功能、鏈條張力監測結果不理想等問題，為了彌補現有系統的不足，本文首先對刮板輸送機卡鏈斷、鏈故障原因進行了詳細分析，在此基礎上將刮板輸送機自動張緊控制和鏈條狀態實時監測系統相結合，從而實現對刮板輸送機鏈條運行狀態與張力的實時監測、鏈條張緊力自適應控制及卡鏈、斷鏈故障預警診斷等功能。

1 刮板輸送機卡鏈、斷鏈原因分析

由于不同時間段采煤機所切割的煤量存在波動，導致施加在刮板輸送機鏈條上的重量不均衡，如果長時間運行則極易發生卡鏈、斷鏈等問題，從而嚴重影響綜采工作面的運輸效率[7-8]。總體來說，導致卡鏈、斷鏈故障發生的主要因素是刮板輸送機鏈條張力發生異常，造成這一后果的具體原因主要包括以下幾點：

1）刮板輸送機在運輸原煤的過程中，由運載的破碎煤塊所產生大量浮游煤樣、細碎矸石等雜物會進入鏈條下方及卸載點鏈條軸承中，從而導致鏈條及相關機械結構發生松動，引發卡鏈現象；

2）受人為因素影響，工作人員未按照刮板輸送機相關操作流程而出現誤操作情況，導致刮板輸送機出現過載、倒拉等現象，從而導致卡鏈；

3）當刮板輸送機槽底不平或發生槽口錯位時，所運載的煤塊會同時卡在刮板輸送機的煤幫與溜槽中，此時持續運行的刮板輸送機會因較大的沖擊負荷而造成卡鏈。

當卡鏈故障發生時，會進一步對鑄石滑道造成破壞，同時較大的沖擊負荷會大大降低刮板輸送機的運行穩定性，從而引發斷鏈、電機堵轉等嚴重故障，因此需要采取有效措施對卡鏈故障進行防治。通過上述分析可知，鏈條張力是判斷刮板輸送機運行狀態的重要指標，因此決定采用鏈條運行狀態監測方案，通過監測系統來對刮板輸送機卡鏈、斷鏈等故障進行有效預警及診斷，以保證刮板輸送機安全穩定運行。

2 系統設計總體方案

為了對鏈條運行狀態進行全面監測，在設計系統前首先需對系統監測量及監測布置點進行確定。在刮板輸送機實際運行過程中，其鏈條張力會隨載重量及運行時間的變化處于動態值，而鏈條張力在很大程度上由刮板輸送機油缸壓力、油缸位移及采煤機運行位置所決定，因此監控系統對上述3 個變量設置有監測點，從而對鏈條張力進行實時監測。除此之外，為了豐富系統的監測功能，本系統在鏈條張力監測外還對刮板輸送機電機、液壓減速器及減速器等主要動力裝置的溫度、振動、電壓、電流等參數進行監測點設置，從而實現對刮板輸送機運行狀態的全面監測。

根據上述對系統監測點的設置分析，用模塊化架構對刮板輸送機監控系統進行設計，該系統按照功能可分為上位機地面監控平臺、MCU 監控主站安裝于刮板輸送機不同位置的監測分站及運行狀態采集模塊，系統總體結構如圖1 所示。

圖1 電機車監控定位系統總體結構圖

系統監控主站通過MCU 的CAN 通信接口與上位機實現通訊，從而實現刮板輸送機運行監測參數上傳及相應控制指令下達功能。為了進一步提高系統監測效果及控制精度，系統在刮板輸送機各監測點分別設置了多個監測分站，用于直接接收由運行狀態參數模塊所采集的參數信息。運行狀態參數模塊作為采集鏈條、電機、減速器等主要部件工況參數的重要單元，主要由各類傳感器組成，采集信號通過調理電路輸入至監控分站MCU 中，模塊結構如圖2 所示。

圖2 運行狀態采集模塊結構圖

3 硬件方案設計

本系統的硬件設計內容主要包括監控主站、各分站MCU 主控器及運行狀態監測模塊各類傳感器的選型及設計，具體內容如下：

為了選用合適的主控芯片，首先需要根據監測點對監測系統的I/O 接口數量進行確定，接口數量統計如表1 所示。

由表1 可知，系統共設置了15 個運行參數模擬量信號及8 個數字量信號，在滿足I/O 接口基本需求外，還應留有一定余量作為備用接口。在通信接口方面，為了滿足本系統的通信需求，主控芯片應至少包含兩路CAN 通信接口、一路以太網通信接口及兩路RS485 通信接口，從而滿足井上及井下的數據傳輸。

表1 I/O 接口數量需求統計

綜上，本文選用STM32F103C8T6 型MCU 作為主控芯片，STM32F103C8T6 具備多達80 個快速多功能雙向I/O 接口，以及I2C、USART、SPI、CAN、USB等9 個通信接口，可滿足上述系統基本需求。同時STM32F103C8T6 具備128 kB 閃存存儲器及7 個多功能定時器，在運行速度、片外資源及功能豐富性上均可滿足本系統對主控芯片的需求。

刮板輸送機的油缸壓力、位移及采煤機位移參數的精確采集對于鏈條張力監測至關重要。在油缸壓力監測方面，本系統傳感器型號選為CFBLY-80T，其較大的量程范圍、高測量精度及高反應靈敏度可滿足測量需求。在油缸位移監測方面，本系統選用KYDM-L 系列磁致伸縮式位移傳感器，其測量范圍為0～7 600 mm，測量精度為±0.3 mm，輸出信號采用二線制4～20 mA 標準電流信號，可實現遠距離輸送。針對采煤機位置監測，本文采用紅外定位形式將紅外收發器分別安裝于刮板輸送機及采煤機相應位置上進行定位，同時紅外傳感器支持RS485 總線通信，從而實現采煤機位置信息的實時傳輸。

4 軟件方案設計

監控系統軟件及程序是實現系統功能的核心部分，為了滿足系統的擴展性及靈活性，本文基于C 語言開發環境設計了適用于STM32F103C8T6 型MCU的軟件及相應程序。

考慮本系統的主從監控站結構，軟件主程序設計包括主站及分站兩部分內容，由于總站除了與分站進行通信外，還負責與上位機進行通信匯總，因此主從站主程序差異主要體現在通信設計部分，主從站主程序流程圖如下頁圖3 所示。

圖3 監測系統軟件主程序流程圖

5 結語

基于MCU 主控器控制的刮板輸送機遠程監控系統主要有MCU 主從監控主站及CAN+RS485 組合通信網絡的系統結構，該系統實現了對刮板輸送機鏈條張力及運輸機其他重要部件運行狀態的實時監測，從而保證了刮板輸送機的安全、穩定、可靠運行。