采煤機(jī)傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

黃秋來

(天地科技股份有限公司 上海分公司, 上海 200030)

0 引言

采煤機(jī)是煤炭井工開采的主要設(shè)備之一。隨著國家“煤礦開采裝備智能化”戰(zhàn)略的推進(jìn)，為了提高設(shè)備的智能化程度、改善工人勞動(dòng)條件和提高礦井的生產(chǎn)效率，采煤機(jī)傳感器技術(shù)在智能礦山建設(shè)中的作用也越來越重要。本文主要探討了當(dāng)前采煤機(jī)各類傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)未來采煤機(jī)用傳感器的發(fā)展方向提出展望[1]。

1 采煤機(jī)傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

采煤機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上就是各類傳感器的應(yīng)用，通過傳感器檢測各類數(shù)據(jù)變量，接入到電控系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷而實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的控制與保護(hù)。從應(yīng)用在采煤機(jī)搖臂、牽引部內(nèi)部傳動(dòng)箱里的溫度傳感器，到檢測最小安全距離的毫米波雷達(dá)，采煤機(jī)機(jī)身裝載的傳感器已達(dá)數(shù)十種，并由此開發(fā)出一系列控制程序構(gòu)成了采煤機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)。下文將分別對(duì)當(dāng)前采煤機(jī)上主要的幾種傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，并指出實(shí)際應(yīng)用中存在的問題。

1.1 溫度傳感器

溫度傳感器是采煤機(jī)最常見的配置，通常用來檢測各電機(jī)繞組溫度和齒輪傳動(dòng)箱內(nèi)部油液溫度，起到過熱停機(jī)保護(hù)的功能。

1) 采煤機(jī)電動(dòng)機(jī)均在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器，溫度傳感器的感溫元件大多為PT100型正溫度系數(shù)熱敏電阻，量程范圍為-40℃～200℃，輸出電阻信號(hào)，采用8.5 mm電纜接入傳感中心顯示數(shù)據(jù)。

2) 齒輪箱溫度傳感器以螺紋擰入的方式與殼體連接，只需在箱體外部增加一個(gè)螺紋孔與油池連通即可，安裝方便，檢測精度也較高。采煤機(jī)搖臂中部下方及牽引減速箱下方均設(shè)計(jì)有M22×1.5 mm的螺紋孔，用以安裝溫度傳感器,其安裝示意圖如圖1所示。

從目前應(yīng)用情況看，溫度傳感器的使用效果還是不錯(cuò)的，可以滿足溫度檢測的需要。但溫度傳感器安裝在殼體外部，傳感器引線容易被雜亂的水管或油管碰壞，需要增加外部保護(hù)。

圖1 溫度傳感器安裝

1.2 壓力傳感器

壓力傳感器通常并聯(lián)接在采煤機(jī)的油路和水路系統(tǒng)中，用以檢測管路壓力。油路中通常串接在背壓回路，背壓用來控制手液動(dòng)換向閥和制動(dòng)閘的開啟和關(guān)閉。采煤機(jī)機(jī)身水路分為高壓、低壓兩路，低壓水用來冷卻電機(jī)、變頻器。壓力傳感器可實(shí)時(shí)檢測冷卻水路壓力，當(dāng)壓力未達(dá)設(shè)定值時(shí)可控制采煤機(jī)停機(jī)。壓力傳感器量程范圍在0～60 MPa，采用18 V直流電源供電，輸出信號(hào)4～20 mA，固定方式有常規(guī)的M20×1.5 mm螺紋和其他若干種管螺紋規(guī)格可選,其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 壓力傳感器安裝示意圖

水壓傳感器需接在采煤機(jī)先導(dǎo)回路中控制啟停，在實(shí)際應(yīng)用中，如果工作面的供水壓力不穩(wěn)定,將會(huì)導(dǎo)致水壓傳感器實(shí)時(shí)檢測數(shù)值達(dá)不到送電要求，采煤機(jī)無法啟動(dòng)，因此許多煤礦會(huì)將此傳感器節(jié)點(diǎn)甩開使用。

1.3 流量傳感器

流量傳感器通常與壓力傳感器同時(shí)使用，串接在低壓水路中，對(duì)采煤機(jī)變頻器頂?shù)装濉⒘逅赖睦鋮s水支路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提供該支路水流量數(shù)據(jù),從而判斷是否達(dá)到冷卻效果設(shè)定值。

流量傳感器采用12～24 V直流電源供電，輸出信號(hào)4～20 mA，量程范圍10～60 L/min，工作壓力不大于80 MPa,其外形如圖3所示。

圖3 流量傳感器外形

流量傳感器與水壓傳感器所起的作用相似，可判斷冷卻水流量是否滿足部件的冷卻要求，一旦達(dá)不到設(shè)定值便會(huì)啟動(dòng)停機(jī)保護(hù)功能，因此要求煤礦的井下供水系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。

1.4 搖臂擺角傳感器

采高控制是采煤機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵點(diǎn)。搖臂擺角傳感器是實(shí)現(xiàn)搖臂擺動(dòng)角度變化達(dá)到采高精確控制的關(guān)鍵元件[2]。搖臂通過鉸軸與牽引箱體連接，擺角傳感器固定安裝在牽引箱體的基座上，連桿固定在搖臂上，通過連接精密伺服旋轉(zhuǎn)電位器測量搖臂與機(jī)身水平線之間的夾角，根據(jù)機(jī)器相應(yīng)的幾何尺寸參數(shù)，計(jì)算采煤機(jī)的實(shí)時(shí)采高。搖臂擺角傳感器組件如圖4所示，安裝示意圖如圖5所示。

圖4 擺臂擺角傳感器組件

圖5 搖臂擺角傳感器的安裝

搖臂擺角與采高關(guān)系如圖6所示，從圖6中可以推算采高H與擺角α的換算關(guān)系式為：

H=D/2+H1+L·sinα

(1)

式中:H為采高;D為滾筒直徑;H1為傳感器安裝中心距底板高度;L為搖臂回轉(zhuǎn)中心到滾筒中心距離;α為連桿與機(jī)身水平線夾角(檢測角度在-20°～﹢60°)。

圖6 搖臂擺角與采高關(guān)系

擺角傳感器由許多鋼制零部件組成，井下環(huán)境潮濕，如果普通材質(zhì)不進(jìn)行防銹處理，很快就會(huì)發(fā)生銹蝕，一旦發(fā)生銹蝕，會(huì)影響傳遞精度并產(chǎn)生較大阻力，這是目前其頻繁損壞的主要原因?？刹捎貌讳P鋼材質(zhì)改善抗銹蝕能力，或采用完全封閉式結(jié)構(gòu)，加裝密封圈防水，提高擺角傳感器的使用壽命。

另外，擺角傳感器的精度直接影響采高檢測，進(jìn)而影響自動(dòng)化割煤，特別是對(duì)長搖臂而言，偏差1°時(shí)影響的采高可達(dá)數(shù)百毫米。在不考慮外界振動(dòng)因素影響的情況下，電位計(jì)式擺角傳感器的檢測精度基本為實(shí)測值，但在滾筒空載狀態(tài)下進(jìn)入割煤一瞬間的沖擊會(huì)導(dǎo)致?lián)u臂相對(duì)于牽引箱發(fā)生振動(dòng)，這樣的角度偏差會(huì)被擺角傳感器檢測到并反饋到采高計(jì)算程序中，某些情況下會(huì)對(duì)搖臂的自動(dòng)升降發(fā)出錯(cuò)誤指令油缸位移傳感器將位移傳感器安裝于采煤機(jī)調(diào)高油缸內(nèi)部，通過磁環(huán)隨活塞桿位移產(chǎn)生脈沖信號(hào)，計(jì)算脈沖運(yùn)行時(shí)間換算得到活塞桿位移量，代入活塞桿位移與采高關(guān)系公式即可求得采煤機(jī)滾筒的實(shí)時(shí)采高。這種位移傳感器受工況影響較小、抗振動(dòng)沖擊性較好，但缺點(diǎn)是油缸為易損件，更換位移傳感器較困難，且關(guān)系公式為非線性，數(shù)據(jù)精確度較低。油缸位移傳感器安裝如圖7所示。

圖7 油缸位移傳感器

油缸伸長量與采高、臥底的數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式比擺角傳感器更為復(fù)雜，采高與油缸長度關(guān)系為非線性關(guān)系，圖8為某厚煤層采煤機(jī)上置式油缸的位移與采高關(guān)系。

圖8 油缸位移傳感器

油缸位移傳感器布置在油缸內(nèi)部，須對(duì)油缸活塞桿進(jìn)行打孔，對(duì)于薄煤層細(xì)小直徑的油缸來說，會(huì)因打孔而嚴(yán)重削弱油缸活塞桿的強(qiáng)度。另外，包含位移傳感器的油缸生產(chǎn)復(fù)雜程度較高，價(jià)格較為昂貴。

1.5 位置編碼器

采煤機(jī)在采煤工作面中的定位坐標(biāo)對(duì)于工作面自動(dòng)化系統(tǒng)工程非常重要，獲取的位置參數(shù)可以提供給記憶截割、自動(dòng)移架等后續(xù)程序使用。

位置編碼器采用多圈絕對(duì)型光電編碼器，為了更好地保護(hù)位置編碼器，通常將位置編碼器安裝在牽引傳動(dòng)箱體內(nèi)部的高速級(jí)軸端。按高速級(jí)與行走輪的減速比換算得到編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈采煤機(jī)前進(jìn)的距離，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感中心。位置編碼器安裝如圖9所示。

圖9 位置編碼器安裝位置

位置編碼器裝在高速軸上，經(jīng)過兩級(jí)行星機(jī)構(gòu)減速后傳遞到行走箱，因此需要計(jì)算編碼器旋轉(zhuǎn)一周采煤機(jī)行進(jìn)的距離，編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一圈采煤機(jī)行走距離計(jì)算公式如下：

S=k·L·z

(2)

k=1/(k1·k2·k3)

(3)

式中：k1、k2、k3分別為一級(jí)行星機(jī)構(gòu)、二級(jí)行星機(jī)構(gòu)、行走箱的傳動(dòng)比;L為行走輪節(jié)距，mm;z為齒數(shù)。

通過設(shè)定位置編碼器零位，讀數(shù)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)得到采煤機(jī)的行走距離，進(jìn)而得出采煤機(jī)當(dāng)前所處的位置。位置編碼器有累計(jì)誤差，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后需要?dú)w零校準(zhǔn)。

1.6 振動(dòng)噪聲傳感器

針對(duì)滾筒截齒破碎煤巖所產(chǎn)生的蘊(yùn)含煤巖分界特征的信號(hào)(二次效應(yīng))產(chǎn)生機(jī)理，在信號(hào)相關(guān)性分析和檢測優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上，研制出振動(dòng)噪聲傳感器，并研制配套的可用于井下現(xiàn)場安裝使用的防爆型截割二次效應(yīng)信號(hào)的高速高精度采集存儲(chǔ)裝置[3]。

振動(dòng)噪聲傳感器和采集存儲(chǔ)裝置安裝于采煤機(jī)搖臂的適當(dāng)位置，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)截割煤巖的過程中的各種選定參數(shù)(負(fù)荷、振動(dòng)和噪聲等)信號(hào)的數(shù)字化采集存儲(chǔ)工作。振動(dòng)噪聲傳感器及分析裝置井下安裝圖如圖10所示。

圖10 振動(dòng)噪聲傳感器安裝

從振動(dòng)噪音傳感器采集的數(shù)據(jù)中提煉有效信息的過程較為復(fù)雜，主要通過對(duì)各類信號(hào)進(jìn)行多分辨力的頻譜和功率譜分析(FFT)，小波變換分析(Wavelet)等，研究建立多維特征信息融合模型，目前尚處于試驗(yàn)研究階段[4]。

2 存在的問題

由于采煤機(jī)的工作條件為粉塵、潮濕環(huán)境，且在截割煤巖時(shí)機(jī)身振動(dòng)較大，傳感器在井下的應(yīng)用中存在以下幾個(gè)問題：

1) 體積較大，安裝突兀。為了達(dá)到防爆要求，礦用傳感器通常有加裝防爆外殼，導(dǎo)致體積較大，安裝在機(jī)身上顯得不協(xié)調(diào)，影響機(jī)身外觀。

2) 保護(hù)困難，可靠性較低。傳感器大多安裝在機(jī)身外表，如擺角傳感器、水壓水量傳感器，保護(hù)傳感器不被煤塊擠、砸而受損，又要方便檢修、調(diào)試，也是難點(diǎn)之一。

3) 背景噪音分離困難。如目前的紅外成像傳感器、振動(dòng)噪聲傳感器、毫米波雷達(dá)等技術(shù)，在采煤機(jī)工作時(shí)獲得的信號(hào)數(shù)據(jù)較多，背景噪聲冗余的剔除程序較為復(fù)雜。

4) 抗振、穩(wěn)定性較低。傳感器都是電子元器件，割煤過程中帶來的強(qiáng)烈振動(dòng)很容易導(dǎo)致傳感器失效或讀數(shù)漂移，穩(wěn)定性有待提高。

3 發(fā)展展望

井下開采環(huán)境惡劣的現(xiàn)狀和對(duì)采煤機(jī)智能化程度要求的日益提高之間的矛盾，是未來采煤機(jī)傳感器技術(shù)發(fā)展的主要難點(diǎn)所在[5]。

1) 提高傳感器的可靠性。采煤機(jī)處于多污水和多煤塵環(huán)境，工況較為惡劣，且機(jī)身振動(dòng)大，因此，對(duì)傳感器的可靠性提出更高的要求。例如搖臂擺角傳感器在自動(dòng)化割煤中舉足輕重，但在實(shí)際應(yīng)用中存在銹蝕、連接搖桿斷裂等故障，使用壽命短，擺角傳感器組件的改進(jìn)迫在眉睫。

2) 開發(fā)低功耗小型化智能型無線傳感器。采煤機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的部位難以安裝普通的有線傳感器，需要無線型傳感器。開發(fā)低功耗小型化智能無線傳感器，構(gòu)建由無線傳感器組成的分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自適應(yīng)控制。

3) 開發(fā)新型非接觸型傳感器。開發(fā)基于紅外線、微米波等新型非接觸式光電傳感器，增強(qiáng)采煤機(jī)對(duì)環(huán)境的感知能力。

4) 開發(fā)配套的先進(jìn)控制程序。傳感器讀取的數(shù)據(jù)最終為程序所用，如果沒有合適的處理程序，則無法提煉有效信息，甚至造成數(shù)據(jù)冗余。如果振動(dòng)傳感器信號(hào)采集的數(shù)據(jù)量較大，且包含較為復(fù)雜的背景噪聲數(shù)據(jù)，編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析程序可以有效地推進(jìn)機(jī)載故障診斷軟件的應(yīng)用[6]。當(dāng)前很多故障自診斷軟件均基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較少且與實(shí)際工況有較大差別，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想。未來采煤機(jī)傳感器的應(yīng)用離不開新程序的開發(fā)。

4 結(jié)論

采煤機(jī)是井下復(fù)雜機(jī)電綜合體，但由于工況條件限制，其自動(dòng)化、智能化程度遠(yuǎn)不及一些普通的工程機(jī)械。

通過對(duì)傳感器技術(shù)的應(yīng)用介紹和現(xiàn)狀分析，提出一些改進(jìn)思路和對(duì)未來采煤機(jī)傳感器的展望。隨著“智慧礦山”建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，將來有望真正實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的智能化和采煤工作面的無人化開采。