刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張 林

（馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300）

煤炭作為當(dāng)今社會發(fā)展的主要能源，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著重要的地位。現(xiàn)階段煤炭的開采主要是依靠綜采設(shè)備來完成的，刮板輸送機(jī)作為綜采設(shè)備中重要的組成部分，其承擔(dān)著煤炭的裝載、運(yùn)輸以及作為采煤機(jī)的運(yùn)行軌道的重要作用[1]。刮板輸送機(jī)與采煤機(jī)、液壓支架等大大提升了采煤的工作效率和安全性。在實(shí)際使用過程中刮板輸送機(jī)經(jīng)常會發(fā)生故障，影響到刮板輸送機(jī)的開機(jī)率，降低了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。因此對刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握其故障情況并進(jìn)行全面分析，明確故障原因?qū)伟遢斔蜋C(jī)有著非常重要的作用[3]。

1 刮板輸送機(jī)故障在線診斷系統(tǒng)采集信號分析

1.1 信號傳輸線路分析

在煤礦井下信號傳輸?shù)倪^程中會出現(xiàn)信號阻抗的情況發(fā)生，會導(dǎo)致信號在傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)削弱的情況，為了保證信號傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，需要對信號傳輸?shù)膿p失情況進(jìn)行分析。本次設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)由于其信號線使用的是直流電，其計(jì)算公式為：

式中：L——信號線長度，m；

A——信號線的截面面積，mm2；

C——絞入系數(shù)；

ρ20、ρQ——20 與Q℃室溫下的信號線的電阻率，Ω·mm2；

a——電阻溫度系統(tǒng)一般情況下取值為0.004；

θ——導(dǎo)線的實(shí)際工作溫度。

由于本文設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)選用的信號線為MHY32，是屬于雙股信號，其單股截面面積為1mm2。在實(shí)際煤礦井下的相關(guān)規(guī)定，其井下溫度不能超過26℃，選定其使用長度為500m，一般情況下信號線內(nèi)部電流為4～20mA，經(jīng)過計(jì)算可得，該信號線的信號傳遞損失情況能夠滿足實(shí)際使用要求。

由于煤礦井下環(huán)境中含有大量的瓦斯，屬于易爆環(huán)境，刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)其在日常工作的過程中由于設(shè)備元器件損壞或者是啟停時(shí)會產(chǎn)生電火花，為了防止電火花導(dǎo)致井下氣體的燃爆需要對其進(jìn)行本安設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)其設(shè)計(jì)的防止產(chǎn)生爆炸的結(jié)構(gòu)式采用安全柵的方式將所有電路進(jìn)行集中安裝，作為一個(gè)能量限制接口，以達(dá)到對所有設(shè)備確保其能夠處于安全狀態(tài)。安全柵的使用如圖1所示。

圖1 安全柵的應(yīng)用

1.2 刮板鏈組的信號分析

刮板輸送機(jī)在日常運(yùn)行的過程中刮板鏈出現(xiàn)的問題一般都是由于飄鏈、斷鏈等問題影響到刮板輸送機(jī)的運(yùn)行方式。刮板輸送機(jī)故障在線檢測系統(tǒng)利用刮板鏈之間的時(shí)間間隔來進(jìn)行判定刮板鏈?zhǔn)欠癯霈F(xiàn)了故障。在刮板輸送機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行情況下，刮板鏈之間的時(shí)間間隔是相同的，其間隔時(shí)間由下式求得：

式中：t——間隔時(shí)間，s；

S——刮板輸送機(jī)刮板鏈之間的距離，m；

V——刮板輸送機(jī)刮板鏈的運(yùn)行速度，m/s。

本文設(shè)計(jì)使用的刮板輸送機(jī)為煤礦使用的SGZ800/750型號的刮板輸送機(jī)，該刮板輸送機(jī)正常情況下的刮板鏈的轉(zhuǎn)速為1.31m/s，刮板鏈之間的間距為1.008m，根據(jù)式（3）計(jì)算可得其刮板鏈之間的時(shí)間間距為0.769s，一般情況下由于刮板鏈長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)或者是由于負(fù)載情況時(shí)，刮板鏈之間的間距會變大，因此在實(shí)際刮板鏈之間的時(shí)間間隔設(shè)置為0.8s。在煤礦井下實(shí)際使用的刮板輸送機(jī)一般長度都比較長因此本文設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的刮板鏈之間的監(jiān)測點(diǎn)位選取有五個(gè)，其中刮板輸送機(jī)的機(jī)頭、機(jī)位各一個(gè)，中間位置一個(gè)，機(jī)頭機(jī)尾與中間位置段的中點(diǎn)處各設(shè)置有一個(gè)。

2 刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)是由信號采集裝置、PLC 控制器、上位機(jī)以及軟啟動器等組成的，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的啟動、運(yùn)行、在線監(jiān)測以及故障診斷等功能。其中信號采集裝置是作為采集終端對刮板輸送機(jī)的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的，例如溫度、轉(zhuǎn)速等信號，并將此類物理信號轉(zhuǎn)換成為電信號進(jìn)行信息的傳遞，PLC控制器在接收到狀態(tài)信號后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制刮板輸送機(jī)的電機(jī)的轉(zhuǎn)動，同時(shí)在人機(jī)顯示界面上顯示數(shù)據(jù)信息。刮板輸送機(jī)的功率是比較大的，其啟動時(shí)屬于大功率重載啟動，為了保證啟動能夠在安全、穩(wěn)定的前提下，刮板輸送機(jī)的啟動采用的是調(diào)頻調(diào)壓軟起動器。上位機(jī)能夠顯示人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及出現(xiàn)故障后的相應(yīng)故障情況，記錄相關(guān)信息以備工作人員查看。由于煤礦井下環(huán)境條件惡劣，為了保證信號傳遞的穩(wěn)定性防止信號干擾，系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間使用信號線直接連接。刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以SGZ800/750 型刮板輸送機(jī)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)的，該型號的刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)有五個(gè)信息采集點(diǎn)，其中位移傳感器使用的MTC-500mms-Ex型磁致伸縮位移傳感器，主要是監(jiān)測刮板輸送機(jī)的機(jī)頭或者機(jī)尾是否發(fā)生了翹翻。當(dāng)發(fā)生翹翻時(shí)，機(jī)頭機(jī)尾安裝的MTC-500mm-s-Ex 型磁致伸縮位移傳感器，兩者檢測到900 的數(shù)據(jù)位置差就會相對較大，其距離超過規(guī)定安全范圍后就會產(chǎn)生報(bào)警信號以及即聽信號，保證刮板輸送機(jī)的安全。利用PT100 溫度傳感器監(jiān)測電動機(jī)的溫度、減速器的油溫，液力耦合器的油溫使用GWH300紅外溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測。對于液力耦合器的液位進(jìn)行監(jiān)測采用的是MTL液位傳感器，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器采用的是GMP-D-16 型號轉(zhuǎn)速傳感器，該設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)速傳感器主要用于測量電動機(jī)是否啟動，設(shè)置其為5s監(jiān)測是否有大于4mA的電流輸出，如果有說明電動機(jī)不存在啟動故障。

刮板輸送機(jī)在正常運(yùn)行過程中其刮板鏈、鏈條是作為主要的牽引機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)上的煤塊進(jìn)行移動的，其槽體是作為整個(gè)設(shè)備的支撐來運(yùn)行的。隨著當(dāng)今煤炭開采速度的逐漸加大，刮板輸送機(jī)需要運(yùn)輸?shù)拿禾康男室笤絹碓礁?。刮板輸送機(jī)的啟動耗能問題就越來越突出，為了防止刮板輸送機(jī)在啟動時(shí)產(chǎn)生巨大的能耗、電流沖擊，需要對刮板輸送機(jī)的啟動方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。目前刮板輸送機(jī)主流使用的啟動方式主要有雙速電動機(jī)、限矩型液力耦合器，這兩種方式在實(shí)際使用過程中都存在著一定的問題，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生巨大的能耗和不穩(wěn)定性。因此針對目前煤礦使用的大型、大負(fù)載的刮板輸送機(jī)需要吸取上述兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避其缺點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)刮板輸送機(jī)啟動采用的是QJRP-400/1140 型號的調(diào)頻調(diào)壓啟動器，對電路起到過流、過載、缺相等保護(hù)作用，從而大大降低了刮板輸送機(jī)在實(shí)際啟動過程中的啟動能耗。

3 刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 電動機(jī)啟動部分程序設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)在綜采工作面工作時(shí)，由于本身是作為牽引機(jī)構(gòu)來對煤炭進(jìn)行輸送的，在實(shí)際工作時(shí)，經(jīng)常會由于其他原因?qū)е鹿伟遢斔蜋C(jī)停機(jī)。當(dāng)其再次啟動時(shí)會由于刮板輸送機(jī)溜槽堆有煤炭造成載荷超負(fù)，這就對電動機(jī)的啟動提出了更高的要求，需要較大的啟動電流才能進(jìn)行啟動。因此對刮板輸送機(jī)的電動機(jī)啟動采用的是調(diào)壓調(diào)頻軟起動方式。針對電動機(jī)軟件啟動方式的程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電動機(jī)軟件啟動方式的程序設(shè)計(jì)

3.2 刮板鏈組監(jiān)測程序設(shè)計(jì)

根據(jù)第一節(jié)中的刮板鏈經(jīng)常出現(xiàn)的故障情況，據(jù)此需要對刮板輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)故障的部分進(jìn)行監(jiān)測。刮板輸送機(jī)的刮板鏈組監(jiān)測程序設(shè)計(jì)圖如圖4所示。圖中的GRT指令是比較指令，通過比較檢測到的電壓值和預(yù)設(shè)的電壓值，當(dāng)有電壓證明刮板輸送機(jī)的刮板鏈正常經(jīng)過監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)上一道刮板鏈經(jīng)過之后，斷延時(shí)時(shí)間計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，比較兩個(gè)刮板鏈經(jīng)過的時(shí)間，當(dāng)其大于0.8s時(shí)，則說明刮板鏈組出現(xiàn)了故障，輸出報(bào)警啟動。當(dāng)刮板鏈正常時(shí)，其經(jīng)過各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)間不會超過0.8s，也不會有報(bào)警輸出。

圖4 刮板輸送機(jī)的刮板鏈組監(jiān)測程序設(shè)計(jì)

3.3 溫度、液位和機(jī)頭/尾翹翻檢測程序設(shè)計(jì)

溫度、液位和機(jī)頭/尾翹翻監(jiān)測程序相對來說是相似的，通過傳感器測量值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，當(dāng)測量值超過預(yù)設(shè)值時(shí)，發(fā)出報(bào)警。以機(jī)頭液力耦合器溫度過高監(jiān)控程序?yàn)槔?/p>

4 總結(jié)

刮板輸送機(jī)作為煤礦綜采設(shè)備中的重要組成部分，其在日常運(yùn)行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)故障，通過長期的觀察發(fā)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的大多數(shù)故障是刮板輸送機(jī)刮板鏈造成的，其主要有斷鏈、飄鏈以及底槽出鏈等故障，還有就是電動機(jī)、機(jī)頭機(jī)尾翹翻以及連接等故障。綜合故障原因以及刮板輸送機(jī)綜采工作面工作環(huán)境提出了刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過信號采集模塊對刮板輸送機(jī)的多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，例如溫度、位移等傳感器，將檢測到的數(shù)據(jù)傳遞到PLC 控制器通過將檢測到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控。刮板輸送機(jī)故障在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地對刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解，降低了刮板輸送機(jī)的故障率，工作人員能夠快速地通過系統(tǒng)了解到刮板輸送機(jī)的故障情況，提高了維修效率，促進(jìn)煤炭高效開采。