基于截割振動信號的煤巖識別裝置研究

石 崗

(山西焦煤集團(tuán) 西山煤電股份有限公司 西曲礦 綜采準(zhǔn)備隊(duì)，山西 古交 030200)

0 引言

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，我國的煤炭開采技術(shù)朝著自動化和智能化的方向發(fā)展。煤巖識別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動調(diào)高的前提，在采煤機(jī)推進(jìn)過程中，根據(jù)截齒應(yīng)力和振動狀態(tài)，結(jié)合采煤機(jī)電控系統(tǒng)信息，煤巖識別裝置能夠控制采煤機(jī)滾筒高度，有利于所開采原煤中矸石含量下降，使得工作面工作環(huán)境得到明顯改善。目前市場上沒有成熟的煤巖識別裝置，其相關(guān)技術(shù)研究對于采煤作業(yè)具有重大意義。

1 采煤機(jī)及其作業(yè)原理

1.1 采煤機(jī)簡介

電牽引雙滾筒采煤機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于煤礦的綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，多用于長臂工作面開采，因此又稱為長臂采煤機(jī)。根據(jù)功能不同，可將電牽引雙滾筒采煤機(jī)分為截割裝置、牽引裝置、電控裝置和輔助裝置等幾部分。截割裝置的功能是截割和裝載，由電機(jī)、齒輪箱、滾筒及其調(diào)高裝置組成。牽引裝置的功能是牽引采煤機(jī)移動，由電機(jī)、傳動裝置等組成。電控裝置的功能是對采煤機(jī)進(jìn)行調(diào)速、保護(hù)和信息處理。輔助裝置有用于調(diào)整截割裝置高度的液壓調(diào)高裝置和用于發(fā)熱部位噴霧降溫的冷卻裝置等。

1.2 采煤機(jī)作業(yè)原理

采煤機(jī)破煤的工作過程如下：在采煤機(jī)前進(jìn)推力和滾筒轉(zhuǎn)動作用下，煤巖介質(zhì)在截齒集中應(yīng)力的作用下形成密實(shí)核，密實(shí)核隨著擠壓應(yīng)力的增大而增大，直到崩落后沿工作面飛出，擠壓應(yīng)力得到釋放，采煤機(jī)繼續(xù)推進(jìn)再次增大擠壓應(yīng)力，如此循環(huán)進(jìn)行截割作業(yè)。

2 振動信號采集與煤巖識別系統(tǒng)方案

一般的采煤機(jī)振動信號采集和處理方案為便攜式振動傳感器和便攜式計(jì)算機(jī)相配合，便攜式振動傳感器采集采煤機(jī)的振動信號，通過便攜式計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這種方案的缺點(diǎn)是：①便攜式振動傳感器不能在線處理數(shù)據(jù)，而且需要配置專用供電電源；②便攜式計(jì)算機(jī)與采煤機(jī)電控系統(tǒng)各自獨(dú)立而不存在數(shù)據(jù)交換，無法獲取采煤機(jī)位置、截割高度等關(guān)鍵工況，導(dǎo)致分析振動信號時(shí)信息不全面，影響煤巖識別的準(zhǔn)確度。

通過實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足的需求有：①振動傳感器具備一定數(shù)據(jù)處理能力，能夠提高煤巖識別效率;②關(guān)聯(lián)采煤機(jī)工況，振動信號不是單獨(dú)的信息來源，需要結(jié)合采煤機(jī)工況進(jìn)行綜合判斷;③提高數(shù)據(jù)處理速率和精度;④具有振動信號頻域分析和特征向量分析的基礎(chǔ)。本文研究的采煤機(jī)振動信號采集與煤巖識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，按照功能不同，系統(tǒng)分為振動信號采集裝置和煤巖識別裝置兩部分。振動信號采集裝置的功能是采集采煤機(jī)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動信號，將數(shù)據(jù)通過RS-485上傳至煤巖識別裝置，且無需單獨(dú)配置供電電源就能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間高精度數(shù)據(jù)采集。在安裝振動傳感器時(shí)，需要結(jié)合信號有效性和信號優(yōu)化問題，根據(jù)現(xiàn)場采煤機(jī)安裝環(huán)境，振動傳感器一般安裝在齒輪端蓋處，安裝時(shí)需要注意敏感檢測軸的方向嚴(yán)謹(jǐn)性。煤巖識別裝置一方面接收振動信號采集裝置的數(shù)據(jù)，另一方面通過CAN總線獲取采煤機(jī)狀態(tài)信息，將二者數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，判斷采煤機(jī)作業(yè)介質(zhì)的煤巖性質(zhì)。煤巖識別裝置安裝在采煤機(jī)機(jī)身中部，采集和存儲現(xiàn)場振動信號。

圖1 振動信號采集與煤巖識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 振動信號采集裝置

采煤機(jī)的振動信號來源比較復(fù)雜，除了滾筒截齒截割煤巖產(chǎn)生的振動信號，還有很多煤巖識別裝置需要濾除的背景噪聲。井下背景噪聲的來源包括截割電機(jī)振動信號、牽引電機(jī)振動信號、刮板運(yùn)輸機(jī)振動信號等。

采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)振動加速度信號變化程度大，振動方向不確定，因此對振動信號采集裝置的性能要求高。本文設(shè)計(jì)的振動信號采集裝置原理如圖2所示，包括外置傳聲器、微型三軸振動傳感器、程控放大器、4通道24位ADC模塊、ARM Cortex-M4F高性能控制器。其中，三軸振動傳感器的作用是采集采煤機(jī)的三軸振動信號，其三軸分別是采煤機(jī)行走方向、采煤機(jī)推進(jìn)方向和采煤機(jī)垂直方向，采集信號的頻率范圍為10 Hz～5 kHz，聲音信號范圍為40 dB～110 dB，在控制器內(nèi)部就可完成頻譜分析等數(shù)據(jù)處理功能，與煤巖識別裝置進(jìn)行各類型數(shù)據(jù)通訊，接口RS485通訊速率最大可達(dá)10.5 Mb/s，實(shí)時(shí)性好。

圖2 振動信號采集裝置原理圖

振動信號采集裝置的核心為STM32F405RGT，這款處理器數(shù)據(jù)處理速度快、精度高，對于搖臂振動信號和背景噪聲信號都能夠進(jìn)行頻譜分析和預(yù)處理，然后再傳輸給煤巖識別裝置，這樣就分擔(dān)了采煤機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)高而產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)處理任務(wù)，使得整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算能力提高。

4 煤巖識別裝置

煤巖識別裝置與振動信號采集裝置配合使用，通過與采煤機(jī)電控系統(tǒng)通訊獲取其運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合振動信號采集裝置的截割振動信號和背景噪聲信號，將二者進(jìn)行綜合分析，然后對采煤機(jī)高度進(jìn)行調(diào)整控制，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能識別煤巖的過程。

煤巖識別裝置原理如圖3所示，主要包括ARM處理器、振動信號采集裝置通訊單元、采煤機(jī)通訊單元、存儲單元、電源與接口單元等。ARM處理器采用STM32F429，同樣為ARM Cortex-M4內(nèi)核。存儲單元設(shè)計(jì)了SRAM和Flash存儲器，用于存儲三軸振動傳感器的信號數(shù)據(jù)。煤巖識別裝置的軟件開發(fā)采用嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境Keil，并采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將軟件劃分為核心識別與自適應(yīng)控制程序、數(shù)據(jù)存儲程序、振動傳感器數(shù)據(jù)通訊程序等子程序模塊。采煤機(jī)采煤過程中，由于傳感器數(shù)量多、速率快，煤巖識別系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理和分析具有一定的延時(shí)，因此振動信號的采集和處理過程都要以效率為主，對振動信號的采集和處理需要進(jìn)行算法優(yōu)化。

圖3 煤巖識別裝置原理圖

5 結(jié)束語

采煤機(jī)煤巖識別技術(shù)是一種集信息采集處理技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)為一體的綜合智能化技術(shù)，對推進(jìn)煤礦的自動化和智能化具有重要意義。以振動信號采集裝置、煤巖識別裝置及其數(shù)據(jù)通道為主體，配合采煤機(jī)電控系統(tǒng)形成的煤巖識別系統(tǒng)能夠判斷采煤機(jī)截割介質(zhì)性質(zhì)，使采煤機(jī)自動調(diào)高并追蹤煤巖界面，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和安全價(jià)值。