刮板輸送機卡鏈原因分析及監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 川

（山西焦煤西山煤電西銘礦機電科，山西 太原 030052）

引言

刮板輸送機作為煤礦綜采工作面的主要運輸設(shè)備，其主要功能是運送由采煤機破碎后的原煤，并為液壓支架和采煤機提供推移支點和行走軌道，當(dāng)刮板輸送機發(fā)生故障停機時，將對煤礦生產(chǎn)作業(yè)帶來巨大影響和損失[1-3]。刮板輸送機主要由驅(qū)動裝置和傳動機構(gòu)組成，其中驅(qū)動裝置包括驅(qū)動電機、減速器等電氣設(shè)備，傳動機構(gòu)主要由鏈條及刮板組成[4-6]。在刮板輸送機的故障類別中，由鏈條異常引起的飄鏈、卡鏈及斷鏈最為常見，當(dāng)出現(xiàn)上述故障時，最能直觀反映故障情況的是鏈條張力，因此輸送機鏈條的自動張緊及張力監(jiān)測技術(shù)是保證刮板輸送機可靠運行的主要技術(shù)手段。

目前針對刮板輸送機的監(jiān)控系統(tǒng)大多存在監(jiān)測量不全、缺少故障診斷功能、鏈條張力監(jiān)測結(jié)果不理想等問題，為了彌補現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，本文首先對刮板輸送機卡鏈斷、鏈故障原因進行了詳細分析，在此基礎(chǔ)上將刮板輸送機自動張緊控制和鏈條狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，從而實現(xiàn)對刮板輸送機鏈條運行狀態(tài)與張力的實時監(jiān)測、鏈條張緊力自適應(yīng)控制及卡鏈、斷鏈故障預(yù)警診斷等功能。

1 刮板輸送機卡鏈、斷鏈原因分析

由于不同時間段采煤機所切割的煤量存在波動，導(dǎo)致施加在刮板輸送機鏈條上的重量不均衡，如果長時間運行則極易發(fā)生卡鏈、斷鏈等問題，從而嚴重影響綜采工作面的運輸效率[7-8]?？傮w來說，導(dǎo)致卡鏈、斷鏈故障發(fā)生的主要因素是刮板輸送機鏈條張力發(fā)生異常，造成這一后果的具體原因主要包括以下幾點：

1）刮板輸送機在運輸原煤的過程中，由運載的破碎煤塊所產(chǎn)生大量浮游煤樣、細碎矸石等雜物會進入鏈條下方及卸載點鏈條軸承中，從而導(dǎo)致鏈條及相關(guān)機械結(jié)構(gòu)發(fā)生松動，引發(fā)卡鏈現(xiàn)象；

2）受人為因素影響，工作人員未按照刮板輸送機相關(guān)操作流程而出現(xiàn)誤操作情況，導(dǎo)致刮板輸送機出現(xiàn)過載、倒拉等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致卡鏈；

3）當(dāng)刮板輸送機槽底不平或發(fā)生槽口錯位時，所運載的煤塊會同時卡在刮板輸送機的煤幫與溜槽中，此時持續(xù)運行的刮板輸送機會因較大的沖擊負荷而造成卡鏈。

當(dāng)卡鏈故障發(fā)生時，會進一步對鑄石滑道造成破壞，同時較大的沖擊負荷會大大降低刮板輸送機的運行穩(wěn)定性，從而引發(fā)斷鏈、電機堵轉(zhuǎn)等嚴重故障，因此需要采取有效措施對卡鏈故障進行防治。通過上述分析可知，鏈條張力是判斷刮板輸送機運行狀態(tài)的重要指標，因此決定采用鏈條運行狀態(tài)監(jiān)測方案，通過監(jiān)測系統(tǒng)來對刮板輸送機卡鏈、斷鏈等故障進行有效預(yù)警及診斷，以保證刮板輸送機安全穩(wěn)定運行。

2 系統(tǒng)設(shè)計總體方案

為了對鏈條運行狀態(tài)進行全面監(jiān)測，在設(shè)計系統(tǒng)前首先需對系統(tǒng)監(jiān)測量及監(jiān)測布置點進行確定。在刮板輸送機實際運行過程中，其鏈條張力會隨載重量及運行時間的變化處于動態(tài)值，而鏈條張力在很大程度上由刮板輸送機油缸壓力、油缸位移及采煤機運行位置所決定，因此監(jiān)控系統(tǒng)對上述3 個變量設(shè)置有監(jiān)測點，從而對鏈條張力進行實時監(jiān)測。除此之外，為了豐富系統(tǒng)的監(jiān)測功能，本系統(tǒng)在鏈條張力監(jiān)測外還對刮板輸送機電機、液壓減速器及減速器等主要動力裝置的溫度、振動、電壓、電流等參數(shù)進行監(jiān)測點設(shè)置，從而實現(xiàn)對刮板輸送機運行狀態(tài)的全面監(jiān)測。

根據(jù)上述對系統(tǒng)監(jiān)測點的設(shè)置分析，用模塊化架構(gòu)對刮板輸送機監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計，該系統(tǒng)按照功能可分為上位機地面監(jiān)控平臺、MCU 監(jiān)控主站安裝于刮板輸送機不同位置的監(jiān)測分站及運行狀態(tài)采集模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電機車監(jiān)控定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)監(jiān)控主站通過MCU 的CAN 通信接口與上位機實現(xiàn)通訊，從而實現(xiàn)刮板輸送機運行監(jiān)測參數(shù)上傳及相應(yīng)控制指令下達功能。為了進一步提高系統(tǒng)監(jiān)測效果及控制精度，系統(tǒng)在刮板輸送機各監(jiān)測點分別設(shè)置了多個監(jiān)測分站，用于直接接收由運行狀態(tài)參數(shù)模塊所采集的參數(shù)信息。運行狀態(tài)參數(shù)模塊作為采集鏈條、電機、減速器等主要部件工況參數(shù)的重要單元，主要由各類傳感器組成，采集信號通過調(diào)理電路輸入至監(jiān)控分站MCU 中，模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 運行狀態(tài)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

3 硬件方案設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計內(nèi)容主要包括監(jiān)控主站、各分站MCU 主控器及運行狀態(tài)監(jiān)測模塊各類傳感器的選型及設(shè)計，具體內(nèi)容如下：

為了選用合適的主控芯片，首先需要根據(jù)監(jiān)測點對監(jiān)測系統(tǒng)的I/O 接口數(shù)量進行確定，接口數(shù)量統(tǒng)計如表1 所示。

由表1 可知，系統(tǒng)共設(shè)置了15 個運行參數(shù)模擬量信號及8 個數(shù)字量信號，在滿足I/O 接口基本需求外，還應(yīng)留有一定余量作為備用接口。在通信接口方面，為了滿足本系統(tǒng)的通信需求，主控芯片應(yīng)至少包含兩路CAN 通信接口、一路以太網(wǎng)通信接口及兩路RS485 通信接口，從而滿足井上及井下的數(shù)據(jù)傳輸。

表1 I/O 接口數(shù)量需求統(tǒng)計

綜上，本文選用STM32F103C8T6 型MCU 作為主控芯片，STM32F103C8T6 具備多達80 個快速多功能雙向I/O 接口，以及I2C、USART、SPI、CAN、USB等9 個通信接口，可滿足上述系統(tǒng)基本需求。同時STM32F103C8T6 具備128 kB 閃存存儲器及7 個多功能定時器，在運行速度、片外資源及功能豐富性上均可滿足本系統(tǒng)對主控芯片的需求。

刮板輸送機的油缸壓力、位移及采煤機位移參數(shù)的精確采集對于鏈條張力監(jiān)測至關(guān)重要。在油缸壓力監(jiān)測方面，本系統(tǒng)傳感器型號選為CFBLY-80T，其較大的量程范圍、高測量精度及高反應(yīng)靈敏度可滿足測量需求。在油缸位移監(jiān)測方面，本系統(tǒng)選用KYDM-L 系列磁致伸縮式位移傳感器，其測量范圍為0～7 600 mm，測量精度為±0.3 mm，輸出信號采用二線制4～20 mA 標準電流信號，可實現(xiàn)遠距離輸送。針對采煤機位置監(jiān)測，本文采用紅外定位形式將紅外收發(fā)器分別安裝于刮板輸送機及采煤機相應(yīng)位置上進行定位，同時紅外傳感器支持RS485 總線通信，從而實現(xiàn)采煤機位置信息的實時傳輸。

4 軟件方案設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件及程序是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心部分，為了滿足系統(tǒng)的擴展性及靈活性，本文基于C 語言開發(fā)環(huán)境設(shè)計了適用于STM32F103C8T6 型MCU的軟件及相應(yīng)程序。

考慮本系統(tǒng)的主從監(jiān)控站結(jié)構(gòu)，軟件主程序設(shè)計包括主站及分站兩部分內(nèi)容，由于總站除了與分站進行通信外，還負責(zé)與上位機進行通信匯總，因此主從站主程序差異主要體現(xiàn)在通信設(shè)計部分，主從站主程序流程圖如下頁圖3 所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件主程序流程圖

5 結(jié)語

基于MCU 主控器控制的刮板輸送機遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要有MCU 主從監(jiān)控主站及CAN+RS485 組合通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對刮板輸送機鏈條張力及運輸機其他重要部件運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，從而保證了刮板輸送機的安全、穩(wěn)定、可靠運行。