防爆無(wú)軌膠輪車安全保護(hù)系統(tǒng)研究

甄寶柱

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院 山西 太原 030006

1 防爆無(wú)軌膠輪車安全性的影響因素

（1）氣體濃度。煤礦中存在的氣體主要是甲烷，存在瓦斯爆炸和窒息的危險(xiǎn)。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^(guò)極值，與氧氣混合時(shí)，會(huì)發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重的礦井事故。需要監(jiān)測(cè)氣體濃度，當(dāng)氣體濃度超過(guò)1%時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（2）柴油機(jī)排氣溫度。無(wú)軌膠輪車在爆炸性氣體環(huán)境中工作。如果柴油機(jī)的高溫廢氣和運(yùn)行中產(chǎn)生的火花與爆炸性氣體接觸，會(huì)引起爆炸。未經(jīng)處理的尾氣溫度在650℃左右，可以完全點(diǎn)燃?xì)怏w。尾氣由冷卻水箱冷卻。如果損壞或冷卻失敗，尾氣溫度會(huì)升高。有必要實(shí)時(shí)監(jiān)控尾氣的溫度。

（3）柴油機(jī)機(jī)體溫度。柴油機(jī)表面會(huì)接觸到爆炸性氣體，高溫是造成安全事故的必要條件。有必要監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的溫度，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的溫度不超過(guò)150℃。

（3）冷卻水溫度。冷卻水在降低柴油機(jī)機(jī)體溫度方面起著重要作用。如果溫度太高，就達(dá)不到降溫效果。有必要監(jiān)控冷卻溫度，以確保溫度范圍在0℃和95℃之間。如果溫度超過(guò)上限，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，冷卻水將停止休息或更換。

（4）尾氣中的有害氣體。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的廢氣含有一氧化碳和氮氧化物。如果氣體濃度過(guò)高，會(huì)對(duì)人體造成傷害。需要監(jiān)測(cè)尾體濃度（一氧化碳0.1%，氮氧化物0.08%）。如果檢測(cè)到有害氣體超過(guò)上限，必須停機(jī)進(jìn)行維護(hù)。廢氣排放達(dá)標(biāo)后，再進(jìn)行操作。

（5）油壓。膠輪車的機(jī)油可以潤(rùn)滑柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此有必要對(duì)機(jī)油壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果油壓過(guò)低，會(huì)因缺乏有效潤(rùn)滑而損壞部件，超過(guò)規(guī)定壓力后需要停機(jī)維修。

（6）凈化水箱液位。如果冷卻凈化水位低于下限值，冷卻效果會(huì)喪失，尾氣中的火花不會(huì)熄滅，溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，達(dá)不到有害氣體凈化效果。凈化水箱的水位需要檢測(cè)，當(dāng)?shù)陀谙孪迺r(shí)，需要停機(jī)補(bǔ)充凈化水。

（7）速度。受煤礦巷道條件的限制，防爆膠輪車應(yīng)限制在30公里/小時(shí)，以避免高速行駛造成事故[1]。

2 無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)分析

在現(xiàn)代礦山開(kāi)采中，防爆無(wú)軌膠輪車是重要的運(yùn)輸方式之一。根據(jù)功能、用途和動(dòng)力裝置的不同，可分為輕料車、重料車和運(yùn)人車。作為井下危險(xiǎn)環(huán)境下的輔助運(yùn)輸車輛，它具有一定的運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在：①無(wú)軌膠輪車靈活，運(yùn)輸效率高，爬坡能力強(qiáng)，可將需要運(yùn)輸?shù)奈锪现苯舆\(yùn)輸?shù)骄谆虻孛?，?jié)省物料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間和人力。②不需要鋪設(shè)運(yùn)輸巷道的軌道和硬化巷道的底板。對(duì)于巷道底鼓問(wèn)題，人工及時(shí)修復(fù)不會(huì)影響正常運(yùn)輸。同時(shí)不需要在巷道內(nèi)設(shè)置架線、絞車等相關(guān)輔助設(shè)施，擴(kuò)大了巷道空間。③煤礦用支架可以用膠輪車整體運(yùn)輸和安裝，省去了拆卸和安裝環(huán)節(jié)，提高了工作效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 安全保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件架構(gòu)。硬件系統(tǒng)由傳感器、S3C2440A模塊和響應(yīng)模塊組成。傳感器將采集到的氣體濃度、柴油機(jī)機(jī)體溫度、油壓、一氧化碳濃度、氮氧化物濃度、凈化水位和轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換到處理器，并在人機(jī)界面上顯示膠輪車的運(yùn)行信息。處理器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，控制柴油機(jī)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。為了分析膠輪車的運(yùn)行狀態(tài)，需要配置記憶模塊，為后續(xù)的車輛故障處理和維護(hù)提供便利。通信模塊是在處理器和上位機(jī)之間交換數(shù)據(jù)。

（2）處理器和安全防護(hù)系統(tǒng)采用S3C2400A芯片，是一款帶指令集的32位處理器。指令緩存和數(shù)據(jù)緩存分別為16 kB。核心采用1.25 V供電，外部I/O接口為3.3 V，芯片具有良好的抗電磁干擾能力，能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，滿足膠輪車安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。處理器還具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，可以減少外圍電路設(shè)計(jì)的工作量，降低芯片購(gòu)買成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

（3）最小系統(tǒng)電路。安全保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行需要時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)S3C2440A芯片數(shù)據(jù)和PLL電路中要求的工作頻率，系統(tǒng)需要配置一個(gè)12 MHz的無(wú)源晶振。片內(nèi)倍頻整形后可以形成533 MHz的工作頻率，可以保證CPU正常工作，為USB接口提供48 MHz的頻率。芯片鎖相環(huán)電路可以放大頻率，并具有信號(hào)凈化功能，可以在較低的外部時(shí)鐘信號(hào)的情況下獲得較高的工作頻率，非常有利于降低高頻噪聲干擾。

（4）數(shù)據(jù)采集電路。排氣溫度和冷卻水溫度可由DS18B20傳感器采集。采集的溫度信號(hào)通過(guò)數(shù)字量串行發(fā)送到S3C2440A芯片，C語(yǔ)言編程要嚴(yán)格遵循時(shí)序要求。LM35H傳感器用于檢測(cè)柴油機(jī)機(jī)身溫度，溫度范圍可達(dá)-55℃～+150℃。可以達(dá)到℃的準(zhǔn)確率，電源電壓DC4～30 V，可以單電源供電，也可以雙電源供電。輸出信號(hào)連接到處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入輸出端口。MQ-7傳感器用于一氧化碳濃度檢測(cè)，氣體傳感器為二氧化錫，會(huì)隨著一氧化碳濃度成比例增加。檢測(cè)范圍可達(dá)10～1 000 ppm，電源電壓為DC5V，但柴油機(jī)排放的廢氣成分較多，會(huì)干擾一氧化碳的檢測(cè)，因此需要選擇具有過(guò)濾功能的傳感器。氧化氮?dú)怏w的檢測(cè)對(duì)象是一氧化氮和二氧化氮。選用4NO-2000和4NO2-2000兩種傳感器，輸出0～1.44 A的電流信號(hào)，氣體檢測(cè)范圍為0～1 000 ppm，需要通過(guò)運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)電極C端和R端的電位。W端的運(yùn)算放大器與處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口相連。氣體濃度檢測(cè)選用LMJC4/3.0傳感器。電源電壓為DC3伏，量程可達(dá)0～40 000×10-6。傳輸電壓會(huì)隨著氣體濃度的增加而增加。檢測(cè)1%氣體濃度時(shí)，輸出電壓為20 mV，處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口電壓為0～3.3 V，因此輸出信號(hào)需要放大到100倍。

總之，通過(guò)控制程序?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，防爆無(wú)軌膠輪車安全保護(hù)系統(tǒng)具有快速上電自檢功能，能夠準(zhǔn)確處理傳感器信號(hào)，檢測(cè)各種參數(shù)是否在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序，10秒內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到工作人員的操作，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)熄滅柴油機(jī)，響應(yīng)速度快，能夠滿足使用要求。