礦井刮板輸送機(jī)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張慧勇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司南陽(yáng)坡礦綜采二隊(duì)， 山西 朔州 037200）

引言

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，是綜采機(jī)械化設(shè)備的核心部分，其運(yùn)行的穩(wěn)定性將直接影響煤炭的開(kāi)采效率[1-2]。刮板輸送機(jī)主要由機(jī)頭部、機(jī)尾部、傳動(dòng)裝置、刮板鏈、溜槽及其他附件組成。在工作過(guò)程中，由機(jī)頭部與機(jī)尾部帶動(dòng)傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，刮板鏈將煤炭等物料由機(jī)頭部卸載到機(jī)尾部[3-4]。由于綜采工作面環(huán)境復(fù)雜，刮板輸送機(jī)受到的外部載荷分布不均，與物料產(chǎn)生摩擦磨損，部件受到載荷沖擊，大幅度削減了設(shè)備的使用壽命，導(dǎo)致故障頻發(fā)，限制了工作面的采煤效率[5-6]。國(guó)產(chǎn)刮板輸送機(jī)通常只包括控制系統(tǒng)，缺乏有效的故障監(jiān)測(cè)裝置，導(dǎo)致設(shè)備故障不能及時(shí)處理[7]。因此，需要對(duì)刮板輸送機(jī)的故障進(jìn)行分析，建立全面的監(jiān)測(cè)機(jī)制，提高設(shè)備的機(jī)電一體化水平。

1 故障數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方案

1.1 刮板輸送機(jī)常見(jiàn)故障分析

刮板輸送機(jī)常見(jiàn)的故障有：刮板鏈故障、電機(jī)故障、減速器故障以及機(jī)頭與機(jī)尾故障等[8]。刮板鏈為物料的主要輸送機(jī)構(gòu)，受到的沖擊載荷較大，容易發(fā)生斷鏈、飄鏈與掉鏈等故障。刮板鏈的故障多是由于運(yùn)行過(guò)程中受到的載荷較大、設(shè)備疲勞損壞和安裝位置存在偏差等因素造成。電機(jī)為刮板機(jī)的動(dòng)力部分，主要故障為電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)、電機(jī)溫度異常，造成故障的原因包括刮板機(jī)載荷過(guò)大、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、啟動(dòng)頻繁與軸承損壞等。減速器作為重要的傳動(dòng)部件，將高速小扭矩的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為低速大扭矩的轉(zhuǎn)動(dòng)，故障類(lèi)型主要包括潤(rùn)滑油溫度過(guò)高、齒輪異響等，通常由于載荷分布不均、潤(rùn)滑油受到污染等因素造成。機(jī)頭與機(jī)尾為焊接件，主要發(fā)生的故障為翹翻，原因包括金屬異物進(jìn)入槽或機(jī)頭、機(jī)尾部之間、壓頂子松動(dòng)、刮板輸送機(jī)鋪設(shè)不直等。

1.2 故障數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)通過(guò)傳感器設(shè)備對(duì)各部件的故障表征參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)將參數(shù)與故障閾值進(jìn)行對(duì)比分析，可判斷出設(shè)備是否發(fā)生故障及故障類(lèi)型。通過(guò)壓力傳感器與位移傳感器，對(duì)刮板鏈的拉力信號(hào)和位置偏移信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。位移傳感器安裝于中部槽對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)，當(dāng)刮板鏈發(fā)生故障時(shí)，傳感器可檢測(cè)到刮板發(fā)生的縱向偏移。電機(jī)故障主要通過(guò)溫度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、電壓與電流傳感器，對(duì)電機(jī)的溫度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速與電參數(shù)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。減速器故障通過(guò)溫度、油位、振動(dòng)傳感器，對(duì)減速器潤(rùn)滑油的油溫與油位、軸與軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。機(jī)頭與機(jī)尾故障主要監(jiān)測(cè)其位置參數(shù)，將位置傳感器安裝于機(jī)頭與機(jī)尾底部的兩側(cè)，當(dāng)發(fā)生翹翻時(shí)，系統(tǒng)可檢測(cè)到位置參數(shù)的變化。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為地面部分與井下部分，如圖1 所示。地面部分由上位機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)組成。根據(jù)故障分析，井下部分設(shè)有刮板輸送機(jī)機(jī)頭監(jiān)控分站與機(jī)尾監(jiān)控分站，RS485 串口總線，傳感器設(shè)備等。監(jiān)控分站與安裝于刮板輸送機(jī)的傳感器設(shè)備連接，負(fù)責(zé)參數(shù)的采集、存儲(chǔ)與傳輸?shù)龋ǔ⒕嚯x井下集控中心最近的監(jiān)控分站設(shè)置為總站，負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)備參數(shù)的收集與打包，并傳輸至集控中心，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫔衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷。

圖1 刮板輸送機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由傳感器部分、監(jiān)控裝置內(nèi)部電路和外部通信電路組成。傳感器包括壓力、溫度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速與位移等傳感器。內(nèi)部電路包括信號(hào)調(diào)理電路、最小系統(tǒng)、控制電路、通信電路與外設(shè)接口等電路，其中轉(zhuǎn)速傳感器由脈沖信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，溫度傳感器由溫度信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。外部通信電路包括裝置與集控中心的RS485 通信電路、以太網(wǎng)通信電路。

圖2 監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)

3.2 最小系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)裝置的核心部分，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收與處理，由CPU 及外圍電路組成。根據(jù)系統(tǒng)所需的I/O 口、存儲(chǔ)空間、通信接口等，監(jiān)測(cè)裝置CPU 選型ARM 處理器STM32103VB，處理器具有80 個(gè)I/O 口，滿足系統(tǒng)配置需求。外圍電路主要包括低速與高速晶振電路、JTAG 調(diào)試電路、復(fù)位電路及其他電路等。

3.3 信號(hào)調(diào)理電路

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器信號(hào)包括電壓、電流、脈沖與電阻等信號(hào)，需要通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行隔離、放大與濾波等過(guò)程，才能被CPU 接收處理。信號(hào)調(diào)理電路包括傳輸電路、電壓、電流、脈沖與電阻的調(diào)理電路。傳輸電路采用ADG708 芯片，通過(guò)使能端控制芯片的開(kāi)啟與關(guān)閉，通過(guò)控制端控制轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行切換。

電路的前端為電源隔離模塊，保證采集端接地電平與傳感器接地電平一致，提高采集信號(hào)的精確度。經(jīng)過(guò)中段的穩(wěn)壓電路與鉗位電路，輸出一個(gè)0～5 V 的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)比例電路處理，將電壓信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換為0.6～3 V 的電壓信號(hào)，方便CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與接收。

4 應(yīng)用效果分析

在應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)前，需要對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，包括溫度信號(hào)、電壓信號(hào)等參數(shù)的采集功能。測(cè)溫傳感器為PT100 型，輸出為電阻信號(hào)，通過(guò)設(shè)置6 種不同電阻，對(duì)比理論溫度值與測(cè)試溫度值，計(jì)算出系統(tǒng)的最大誤差，溫度測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 的數(shù)據(jù)可知，電阻為115.31 Ω 時(shí)，出現(xiàn)最大誤差，最大相對(duì)誤差為2.5%。

表1 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試電壓信號(hào)采集精度時(shí)，選取6 種不同的電壓信號(hào)值，對(duì)比理論轉(zhuǎn)換值與測(cè)試值，如表2 所示，系統(tǒng)電壓信號(hào)的最大相對(duì)誤差為1%。

表2 電壓測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)各信號(hào)參數(shù)采集功能的測(cè)試，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試相對(duì)誤差較小，可滿足系統(tǒng)功能要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)礦井刮板輸送機(jī)提出了一種故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)常見(jiàn)故障類(lèi)型進(jìn)行分析，確定了系統(tǒng)的參數(shù)采集類(lèi)型與監(jiān)測(cè)方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)，并試驗(yàn)測(cè)試了系統(tǒng)參數(shù)采集功能，證明該測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)采集精度較高，滿足系統(tǒng)故障診斷需求，能有效提高系統(tǒng)故障診斷的精確性與可靠性。