采煤機截割含夾矸煤巖振動采集系統的設計及實驗測試

姬新文

（山西科興能源發展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

采煤機為綜采工作面的主要設備，由于工作面頂板煤層、巖層的特性不一致，導致采煤機截割部滾筒所面臨的生產條件相對復雜，尤其在截割含夾矸煤層時，采煤機所面臨的工況惡劣且所承受的載荷復雜，使得采煤機截割部滾筒所面臨的振動劇烈，進而傳遞至采煤機機身。但是，目前針對采煤機截割含夾矸煤巖振動信號采集系統存在布線困難、靈活性差且可靠性低的問題，無法對含夾矸煤巖截割狀態進行準確判斷[1]。為保證采煤機在復雜工況下的安全、穩定運行，設計一套高可靠、高精度的含夾矸煤巖振動采集系統是十分有必要的。

1 截割含夾矸煤巖振動信號采集系統總體設計

本文所設計的振動信號采集系統將應用于型號為MG2×55/250-BW 雙滾筒采煤機，該振動信號采集系統的核心為無線傳感器網絡。振動信號采集系統的總體網絡架構如圖1 所示，采煤機截割含夾矸煤巖時振動信號采集系統包括有振動傳感節點、匯聚節點和管理節點。其中，振動傳感節點主要是對采煤機截割含夾矸煤巖工況時的振動信號進行采集，對采集后的數據進行簡單處理后，通過匯聚節點并基于RS232 通信協議將信號傳遞至終端上位機。上述操作即實現了振動信號的采集[2]。

圖1 振動信號采集系統總體網絡架構

無線傳感器網絡為上述振動信號采集系統的核心。因此，本系統采用合適的無線通信技術尤為重要。目前，可應用于工業生產中的無線通信技術包括有ZigBee、Wi-Fi、超寬帶、藍牙以及進場通信等。綜合對比上述幾種無線通信可知：ZigBee 通信技術功耗低、安全性高、可承載的節點數目多，入網時間僅需30 ms，通信范圍使用最遠可達75 m，成本最低且電池的使用壽命最長，可在868 MHz、915 MHz 和2.4 GHz 等頻點實現通信。因此針對采煤機截割含夾矸煤巖時振動信號采集系統采用ZigBee 無線通信技術實現數據傳輸功能[3]。

2 截割含夾矸煤巖振動信號采集系統的硬件和軟件設計

本節將完成截割含夾矸煤巖振動信號采集系統的硬件設計和軟件設計。

2.1 振動信號采集系統硬件設計

鑒于振動信號采集系統主要用于截割含夾矸煤巖工況時采煤機整機的振動系統，其工作環境相對復雜，為滿足上述使用要求，對振動信號采集系統的精度、傳輸距離、收發效率以及功耗等提出具體要求。

首先，該系統需滿足微型化的要求，結合現場實際條件應將該系統的體積大小控制在55 mm×45 mm×40 mm；由于現場對于更換信號采集系統電源的難度較大，故要求振動信號采集系統具有低功耗的要求，并且盡量采用簡單的電路降低系統的能耗；為滿足工作面相對復雜的工況，要求其數據分析處理模塊和通信、電源模塊的安全性和穩定性滿足要求；為滿足振動信號采集系統后續的拓展使用要求，要求振動信號采集系統具有一定的擴展性和靈活性[4]。

結合上述振動信號采集系統的要求及其功能、性能要求，設計如下頁圖2 所示的振動信號采集系統硬件結構框圖。

如圖2 所示，振動信號采集系統主要包括有傳感模塊、存儲模塊、數據處理模塊、通信模塊以及電源管理模塊。

圖2 振動信號采集系統結構框圖

2.1.1 數據處理模塊設計

數據處理模塊重點為對數據進行分析和處理的微處理器。綜合對傳感器所采集數據的分析處理能力以及低功耗的要求，本系統采用MSP430 系列的單片機數據處理模塊的核心，并為其配置型號為MSP430F5438 型處理器。

2.1.2 傳感模塊設計

傳感模塊的核心為傳感器，傳感器的精度、環境適應能力尤為重要，其重點是對采煤機3 個正交方向上力的精準測量。本系統采用型號為ADXL345 數字型加速度傳感器，該傳感器的具體參數指標如表1所示。

表1 ADXL345 數字型加速度傳感器主要參數指標

2.1.3 無線通信模塊設計

無線通信模塊為本系統信號傳輸效率、信號穩定程度以及傳輸質量的關鍵，綜合對比當前各類無線通信技術優劣勢，本系統采用ZigBee 無線通信技術實現其通信功能；同時，為了兼顧系統的低成本、低功耗的特點，基于ZigBee 無線通信技術為其配置CC2530的無線射頻芯片。

2.2 振動信號采集系統軟件設計

基于上述硬件設計的基礎上，為保證準確、實時地對采煤機截割含夾矸煤巖時振動信號進行采集，保證所配置的振動信號采集軟件可實時對振動信號數據顯示、存儲，保證數據傳輸的準確性，避免其在傳輸過程中出現數據丟失的情況，設計如圖3 所示的振動信號采集程序流程圖。

圖3 振動信號采集系統程序流程圖

完成振動信號采集系統的軟硬件設計后，需根據采煤機截割含夾矸煤巖工況的情況完成振動信號采集系統的安裝。鑒于采煤機截割含夾矸煤巖時煤巖的硬度不均勻，采煤機滾筒承受的載荷不同，如果采用直接測量方法將很難得到準確的振動參數[5]。為了保證對采煤機滾筒振動信號準確、實時地采集，將振動信號采集系統安裝于如圖4 所示的位置中。

圖4 振動信號采集系統安裝示意圖

如圖4 所示，將振動信號采集系統安裝于采煤機搖臂的重心位置，并在系統外部封裝隔爆殼，避免散落的巖石和煤炭對傳感器或整個系統造成沖擊。

3 振動采集系統的實驗測試

為驗證本文所設計振動信號采集系統的應用效果，包括是否能夠適應工作面相對惡劣的生產工況，對所測得數據是否準確等進行測試。將本系統所測得的數據與基于Labview 所仿真的數據進行對比，對比結果見第272 頁表2。基于所設計的振動信號采集系統所采集的數據與仿真數據的偏差在合理范圍之內。同時，在實際測試過程中發現，該系統能夠完全適用于復雜的綜采工作面。

4 結語

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，尤其是在截割含夾矸煤巖時由于煤層和巖層的硬度不一，導致滾筒所承受的載荷處于動態變化狀態。為了能夠準確掌握采煤機截割部滾筒的工作狀態，本文特設計振動信號采集系統，并將其安裝于采煤機搖臂的重心處對滾筒的振動信號進行采集。通過實驗測試可知，所設計的振動信號采集系統能夠完全適用于綜采工作面采煤機截割部滾筒振動情況的采集，而且實測數據與仿真數據的偏差在合理且允許范圍之內。

表2 振動信號采集系統仿真數據與實測數據對比