采煤機(jī)截割開采智能化監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉志鑫 黃德光 劉道龍

（山東能源棗礦集團(tuán)濱湖煤礦，山東 棗莊 277000）

目前，大多數(shù)采煤機(jī)都實(shí)現(xiàn)了牽引速度手動和自動控制，而采煤機(jī)滾筒自動調(diào)高控制仍在探索階段[1]。智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是智能化采煤機(jī)自動控制系統(tǒng)的核心問題，因?yàn)樯婕暗浇馗顣r煤巖層界面的確定，而導(dǎo)致研究工作難度大、進(jìn)展慢[2]。目前對采煤機(jī)自動控制方面的研究主要根據(jù)識別的煤巖界面來確定采煤機(jī)的截割路徑和通過前一次截割循環(huán)中采煤機(jī)在同一位置的截割高度推斷出本次截割循環(huán)中采煤機(jī)截割高度的記憶截割[3-5]?？梢?，真正意義上實(shí)現(xiàn)智能化采煤機(jī)的自動控制還有很多的研究工作需要完成。

1 智能化采煤機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)涉及多達(dá)幾十種，按所屬系統(tǒng)可以分為采煤機(jī)位姿信息、截割電機(jī)信息、牽引電機(jī)信息、搖臂信息、總線系統(tǒng)等；按信號的種類可以分為模擬量信號、開關(guān)量信號等。

1.2 總體設(shè)計及思路

（1）總體設(shè)計

智能化采煤機(jī)監(jiān)測設(shè)計分為兩大部分：上位機(jī)交互界面設(shè)計與下位機(jī)傳感單元設(shè)計。根據(jù)下位機(jī)設(shè)計方式的不同，信號模塊分為兩種方案：一種是按傳感器信號的種類劃分信號模塊，一種是按信號所屬系統(tǒng)劃分信號模塊。

方案一：此方案將下位機(jī)信號模塊分為開關(guān)量信號模塊、模擬量信號模塊、數(shù)字量信號模塊、頻率量信號模塊等。

方案二：該方案將傳感模塊分為多個模塊，具體包括采煤機(jī)位姿監(jiān)測模塊、牽引電機(jī)信息模塊、搖臂信息模塊等。

方案二相對于方案一而言，不僅克服了信號歸類混亂等缺點(diǎn)，而且信號模塊以信號所屬系統(tǒng)劃分，不僅方便管理，而且便于信號的統(tǒng)計和通信地址的分配。

綜合上述考慮，選擇方案二設(shè)計。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計采用各類信號的模式進(jìn)行設(shè)計；根據(jù)采煤機(jī)信號的類型分為采煤機(jī)位姿信號、截割電機(jī)信號、牽引電機(jī)信號、搖臂信息等。此外，添加了串口通信設(shè)置選項(xiàng)，用于串口的選擇和配置。系統(tǒng)軟件工作主流程圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)軟件工作主流程圖

2 震動傳感器單元研制

2.1 無線振動傳感器設(shè)計原則

設(shè)計旨在解決現(xiàn)有傳感器安裝布線難的問題，消除了傳統(tǒng)采集系統(tǒng)模擬信號傳輸中存在的嚴(yán)重干擾，有效提高信噪比，使拾取矢量參數(shù)能夠高保真、高速高精度的傳輸。無線振動傳感器設(shè)計過程中采用了三軸MEMS 加速度傳感器、三軸MEMS 陀螺儀技術(shù)、無線傳感器技術(shù)等，設(shè)計過程中盡可能簡化振動數(shù)據(jù)采集中的電路。

2.2 傳感器單元性能測試

為了實(shí)現(xiàn)煤礦井下采煤機(jī)截割振動測試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)本安電路設(shè)計原則，利用振動傳感器芯片MPU6050、無線傳輸芯片CC-2530、微控制器芯片STM32F103VET6 以及接口芯片設(shè)計出一種本安型無線振動傳感器。

3 智能化采煤機(jī)截割監(jiān)測試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計

由于試驗(yàn)條件的限制，采煤機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且訫G300 電牽引采煤機(jī)為原型，實(shí)際采煤機(jī)機(jī)身總長為5940 mm，兩行走輪跨距為4860 mm，搖臂有效長度為2160 mm，實(shí)現(xiàn)采高范圍為1.9～3.8 mm，最大臥底量可達(dá)到464 mm。研究無線振動傳感器采集采煤機(jī)搖臂的振動信號，根據(jù)相似原理簡化采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)，而采煤機(jī)滾筒的直徑、滾筒的寬度為設(shè)計的基本參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行優(yōu)化，使模型結(jié)構(gòu)簡單，能滿足試驗(yàn)性能要求。采煤機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 采煤機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

其工作原理如下：（1）采用電機(jī)驅(qū)動采煤機(jī)模型的滾筒，電機(jī)和滾筒之間通過同步齒形帶連接。（2）采煤機(jī)在刮板運(yùn)輸機(jī)上沿工作面方向行走。智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)主控制界面如圖3。

圖3 智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)主控制界面

（1）試驗(yàn)步驟

① A302EX 傳感器有磁性，直接吸附在采煤機(jī)搖臂的頂部就可以，而研制的本安型振動傳感器和傾角傳感器需要用502 膠固定在搖臂頂端，用來采集軸承的振動信號和傾角信號。

② 研制傳感器的接收網(wǎng)關(guān)直接連接到計算機(jī)，將采集的信號數(shù)據(jù)保存起來。

③ 靜止時，測量噪聲信號。分別測量搖臂模擬切割、電機(jī)啟動機(jī)械系統(tǒng)平穩(wěn)模擬切割、采煤機(jī)行走過程切割狀態(tài)的振動信號和傾角信號，并將采集到的信號保存起來。

（2）試驗(yàn)注意事項(xiàng)

① 正確安裝傳感器，遵循“就近原則”，在監(jiān)測或者診斷某位置時將傳感器安裝在該部件上，一般放在該部件正上方。

② 由于傳感器的輸入靈敏度高，要正確接地，盡量避免靠近各種干擾源量的準(zhǔn)確度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）以采煤機(jī)模型為被測對象，電機(jī)工作頻率50 Hz，采煤機(jī)靜止時測得搖臂振動測試點(diǎn)振動信號如圖4。采煤機(jī)靜止時，搖臂的三個軸傾角分別為128°、91°、38°，圖中三個軸的幅值變化不大，屬于噪聲干擾，可以從頻域圖得知。

圖4 臂振動測試點(diǎn)信息1

（2）采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動時測得搖臂振動信號信息如圖5，包括振動信號的時域圖、頻域圖以及搖臂的傾角圖。采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動時，由于振動的影響，搖臂的三個軸傾角分別為128°、91°、38°波動。從時域圖和頻域圖可看出，原始信號時域圖中y 軸振動幅度較大，頻域圖最高幅值為0.021，滾筒的轉(zhuǎn)動主要引起y 軸的變化。

圖5 臂振動測試點(diǎn)信息2

（3）采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動時，由于振動的影響，搖臂的三個軸傾角分別為128°、91°、38°波動，y 軸、z 軸較第二種情況波動大。由時域圖和頻域圖可看出，原始信號時域圖中y 軸振動幅度較大，頻域圖200 Hz 最高幅值為0.08，主要來自電動機(jī)的影響，330 Hz 最高幅值為0.024，x 軸最大幅值0.013，z 軸最大幅值0.015，三個軸的振動發(fā)生變化。

（4）電機(jī)啟動采煤機(jī)行走滾筒模擬切割時測得搖臂振動信號。采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動時，由于振動的影響，搖臂的三個軸傾角分別為128°、91°、38°波動，波動變大。由時域圖和頻域圖可看出，原始信號時域圖中y 軸振動幅度較大，頻域圖200 Hz 最高幅值為0.055，主要來自電動機(jī)的影響，330 Hz 最高幅值為0.033。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體方案及各部分模塊的功能實(shí)現(xiàn)形式；完成智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計。

（2）提出基于振動特性監(jiān)測智能化采煤機(jī)截割狀態(tài)的方法，根據(jù)設(shè)計原則設(shè)計出一種本安型無線振動傳感器。通過樣品測試，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足最小尺寸、最低功耗、便于攜帶與安裝的要求。

（3）設(shè)計實(shí)驗(yàn)室模擬采煤機(jī)不同載荷試驗(yàn)，對設(shè)計智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)試驗(yàn)測試，結(jié)果表明具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。