采煤機磨損監測方法及實驗分析

武永剛

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

滾筒截齒在煤礦綜采工作面正常生產過程中極易發生磨損，而在檢修磨損處理往往會影響到煤炭資源的正常開采，進而影響到整個煤礦的經濟效益，因此如何設計一種更為有效的監測方法成為解決這類問題的關鍵。某礦在開采3 號煤層時優于頂底板巖性，采煤機滾筒截齒經常發生碰撞磨損問題，基于該狀況提出了新型監測方法，通過對監測信號的接收跟蹤處理全過程來保證磨損數據的精確收集處理，取得了良好的實驗效果。

1 某礦綜采工作面概況

某礦位于太行山東麓，井田走向長8 km，傾向寬4 km，總面積32 km2，設計年產量600 萬t，采用長壁放頂采煤法。工作面推進長度1 300 m，工作面全長160 m，該工作面回采的3 號煤厚度7.2 m，煤層傾角平均2°~7°，埋深350 m，頂板中等穩定，直接頂為深灰色的砂質泥巖和砂質頁巖，厚度分別為25 m 和4.2 m 左右。基本頂為灰白色細砂巖，厚度達22 m，硬度系數8~10。采用KSW-1500EU/3300V 電牽引采煤機進行煤炭資源開采，在生產過程中時常因滾筒齒輪磨損的更換而影響工作面的正常生產，就此影響研究采煤機磨損的監測方法，以保證截齒的及時更換與采煤工作面的持續運行。如表1、圖1 所示分別為KSW-1500EU/3300V 電牽引型號采煤機的技術參數和采煤機示意圖[1]。

圖1 KSW-1500EU/3300V 電牽引采煤機

表1 KSW-1500EU/3300V 電牽引采煤機參數表

2 采煤機磨損監測方法

2.1 采煤機磨損信號的采集

綜采工作面采煤機在持續運行過程中，會因為長時間的截割產生大量搖臂齒輪磨損數據，這些數據的收集監測就需要通過安裝PLC 等設備在采煤機運行時以放大濾波信號的形式收集起來。因此采煤機磨損信號的采集過程為在采煤機的正常開采生產、電路、Flash 之間的交互、電子設計自動化、電子看門狗、TCT/IP 協議之間的交互、與濾波放大電路之間的交互。濾波放大電路又可分為PLC 振動傳感器和振動傳感器兩類信號接收裝置。具體信號示意圖如圖2 所示。這些監測裝置可改善傳統濾波信號傳達不明顯的缺陷，將采煤機在截割作業時的磨損數據通過振動、溫度等信號進行數據傳輸。其中的電路信息也可通過云計算平臺進行轉換，進而進行數據收集，并將所得信號傳入應用端進行信息分析處理。IP 網絡傳輸協議可對所得數據進行整理并對數據的路徑進行匹配分類，確保數據能夠在終端實時接收處理[2]。

圖2 采煤機磨損信號采集示意圖

2.2 采煤機磨損信號的跟蹤

對收集到的信號進行處理，根據信號的傳感器點位以及傳輸路徑的不同進行監測，并將收集到的放大濾波信號作為采煤機的實時磨損狀態，其公式為：

式中：n 為傳感器的布設數目；B1為采煤機的彈性系數；B2為滾筒截齒的硬化系數；C1為采煤機滾筒截齒的光滑度系數；m 為信號轉換次數；j 為傳輸路徑；Cm為次數的序列分布平方和。計算結果y（n）為采煤機的實時磨損狀態值，并進行下一步計算。

根據方法濾波信號的接收情況，分別以采煤機的彈性系數，滾筒截齒的硬化系數以及滾筒截齒的光滑度系數作為影響因素進行采煤機磨損狀態的指標監測，可以根據該公式看出信號在傳輸過程中的分布情況，在放大濾波信號接收轉換過程中，濾波信號通常會呈現出遞減趨勢，因此可將磨損狀態信號的跟蹤信號設置為Dj，其公式為：

式中：i 為磨損信號的強度值，跟蹤信號Dj的取值為采煤機磨損狀態值進行強度值絕對值的求和，再進行平方。

根據式（2）這一跟蹤信號值可以得出磨損信號的變化趨勢，并以這一趨勢作為依據來對采煤機磨損信號的傳輸路徑進行判定，以達到對采煤機磨損信號的跟蹤效果。上述步驟為采煤機磨損監測信號以及跟蹤信號的計算過程，將所得到的信號數據進行分析計算可得出采煤機的實時磨損情況。

2.3 采煤機磨損信號監測結果

采煤機滾筒截齒再截割煤層時，截割時間越長截齒的磨損程度也就越為明顯，因此根據采煤機截齒的磨損情況分為6 個等級，將1 級磨損記為無磨損狀態，2 級記為輕微磨損狀態，3 級記為中等磨損狀態，4級記為較嚴重磨損狀態，5 級記為嚴重磨損狀態，6 級記為截齒進行失效報廢處理。其評判標準是通過磨損后的截齒長度與新截齒長度之比進行判斷的，當截齒之比分別為0、1/6、2/6、3/6、4/6、5/6 時分別記為以上六個等級，文中將3 級以上的截齒磨損情況作為取值范圍進行公式（3）的計算，即采煤機滾筒截齒的磨損達一半以上時將被監測方法監測到[3]。對采煤機的磨損狀態信號以及跟蹤信號的分析研究，并通過采區信號映射的方式推算磨損信號的取值情況，即取到值記為1，未取到值記為0。通常情況下映射值的范圍在0~1 之間，通過計算這些信號的映射值即可得出采煤機磨損情況的結果，其公式為：

式中：A 為采煤機磨損信號的可信任度；ε 為采煤機磨損信號識別框。當所取數值為信號識別框的值時記為0，其余結果值進行求和計算并乘以采煤機磨損信號的可信任度A，其總和為1。該公式計算所得映射值可作為采煤機磨損情況監測的依據，根據實時接收到的數據代入公式進行分析，以達到對采煤機磨損信號的實時監測效果。上述三個步驟即完成了采煤機監測信號以及跟蹤信號的采集處理過程，并得出了信號監測的結果即采煤機實時磨損狀態的監測過程。接下來通過實驗以傳統監測方法與該監測方法進行對比，從而驗證該監測方法的實用性。

3 實驗分析

根據該礦采煤機的參數進行實驗設計，以其監測過程中的報警次數作為實驗指標，分別采用傳統監測方法與本文實驗方法進行指標對比，以7 h 的時長為實驗實踐，設置磨損參數作為報警指標，用以評價兩種方法下的監測能力，如圖3 所示為兩種監測方法下的監測能力對比圖，對照組為傳統監測方法測量數值，實驗組為按本文方法進行監測計算的測量數值。

圖3 監測能力對比示意圖

根據上述7 h 的實驗對兩組實驗方法的監測誤差報警率進行對比可以看出，對照組的誤差報警率在0.2%~0.25%，而采用優化監測方法的監測誤差報警率維持在0.1%以下，明顯優于傳統監測方法，基本能夠實現對采煤機磨損狀況的精確監控，滿足設計需要，基本可以應用于煤礦綜采工作面采煤機滾筒截齒的磨損監測。

4 結語

本文提出的采煤機滾筒截齒監測方法可通過對磨損信號的監測跟蹤實現對監測數據的篩選，并利用映射方式進行數據的結果分析處理，以實現對采煤機磨損狀態的實時監測。根據上述對監測方法的實驗對比可以看出，設計提出的煤礦綜采工作面采煤機滾筒截齒監測方法相比于傳統的截齒監測方法有著顯著優勢，在監測誤差報警率方面明顯低于傳統的采煤機截齒監測方法。該方案的提出不僅有助于采煤機故障的及時排除，節省了維修成本，也為煤礦綜采工作面煤炭資源的高產高效開采提供了技術支持。