礦井刮板輸送機監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計

張慧勇

（晉能控股煤業(yè)集團鐵峰煤業(yè)有限公司南陽坡礦綜采二隊， 山西 朔州 037200）

引言

刮板輸送機作為綜采工作面的主要運輸設(shè)備，是綜采機械化設(shè)備的核心部分，其運行的穩(wěn)定性將直接影響煤炭的開采效率[1-2]。刮板輸送機主要由機頭部、機尾部、傳動裝置、刮板鏈、溜槽及其他附件組成。在工作過程中，由機頭部與機尾部帶動傳動裝置轉(zhuǎn)動，刮板鏈將煤炭等物料由機頭部卸載到機尾部[3-4]。由于綜采工作面環(huán)境復(fù)雜，刮板輸送機受到的外部載荷分布不均，與物料產(chǎn)生摩擦磨損，部件受到載荷沖擊，大幅度削減了設(shè)備的使用壽命，導(dǎo)致故障頻發(fā)，限制了工作面的采煤效率[5-6]。國產(chǎn)刮板輸送機通常只包括控制系統(tǒng)，缺乏有效的故障監(jiān)測裝置，導(dǎo)致設(shè)備故障不能及時處理[7]。因此，需要對刮板輸送機的故障進行分析，建立全面的監(jiān)測機制，提高設(shè)備的機電一體化水平。

1 故障數(shù)據(jù)監(jiān)測方案

1.1 刮板輸送機常見故障分析

刮板輸送機常見的故障有：刮板鏈故障、電機故障、減速器故障以及機頭與機尾故障等[8]。刮板鏈為物料的主要輸送機構(gòu)，受到的沖擊載荷較大，容易發(fā)生斷鏈、飄鏈與掉鏈等故障。刮板鏈的故障多是由于運行過程中受到的載荷較大、設(shè)備疲勞損壞和安裝位置存在偏差等因素造成。電機為刮板機的動力部分，主要故障為電機無法啟動、電機溫度異常，造成故障的原因包括刮板機載荷過大、運轉(zhuǎn)時間過長、啟動頻繁與軸承損壞等。減速器作為重要的傳動部件，將高速小扭矩的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為低速大扭矩的轉(zhuǎn)動，故障類型主要包括潤滑油溫度過高、齒輪異響等，通常由于載荷分布不均、潤滑油受到污染等因素造成。機頭與機尾為焊接件，主要發(fā)生的故障為翹翻，原因包括金屬異物進入槽或機頭、機尾部之間、壓頂子松動、刮板輸送機鋪設(shè)不直等。

1.2 故障數(shù)據(jù)監(jiān)測

系統(tǒng)通過傳感器設(shè)備對各部件的故障表征參數(shù)進行監(jiān)測，通過將參數(shù)與故障閾值進行對比分析，可判斷出設(shè)備是否發(fā)生故障及故障類型。通過壓力傳感器與位移傳感器，對刮板鏈的拉力信號和位置偏移信號進行監(jiān)測。位移傳感器安裝于中部槽對稱的兩側(cè)，當刮板鏈發(fā)生故障時，傳感器可檢測到刮板發(fā)生的縱向偏移。電機故障主要通過溫度、振動、轉(zhuǎn)速、電壓與電流傳感器，對電機的溫度、振動、轉(zhuǎn)速與電參數(shù)信號進行監(jiān)測。減速器故障通過溫度、油位、振動傳感器，對減速器潤滑油的油溫與油位、軸與軸承的振動信號進行監(jiān)測。機頭與機尾故障主要監(jiān)測其位置參數(shù)，將位置傳感器安裝于機頭與機尾底部的兩側(cè)，當發(fā)生翹翻時，系統(tǒng)可檢測到位置參數(shù)的變化。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

刮板輸送機監(jiān)測系統(tǒng)可分為地面部分與井下部分，如圖1 所示。地面部分由上位機遠程故障診斷系統(tǒng)組成。根據(jù)故障分析，井下部分設(shè)有刮板輸送機機頭監(jiān)控分站與機尾監(jiān)控分站，RS485 串口總線，傳感器設(shè)備等。監(jiān)控分站與安裝于刮板輸送機的傳感器設(shè)備連接，負責參數(shù)的采集、存儲與傳輸?shù)?，通常將距離井下集控中心最近的監(jiān)控分站設(shè)置為總站，負責整個設(shè)備參數(shù)的收集與打包，并傳輸至集控中心，同時通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫔衔粰C，實現(xiàn)設(shè)備的故障診斷。

圖1 刮板輸送機監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 監(jiān)控裝置設(shè)計

3.1 監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由傳感器部分、監(jiān)控裝置內(nèi)部電路和外部通信電路組成。傳感器包括壓力、溫度、振動、轉(zhuǎn)速與位移等傳感器。內(nèi)部電路包括信號調(diào)理電路、最小系統(tǒng)、控制電路、通信電路與外設(shè)接口等電路，其中轉(zhuǎn)速傳感器由脈沖信號調(diào)理電路進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，溫度傳感器由溫度信號調(diào)理電路進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。外部通信電路包括裝置與集控中心的RS485 通信電路、以太網(wǎng)通信電路。

圖2 監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)

3.2 最小系統(tǒng)選型設(shè)計

最小系統(tǒng)是監(jiān)測裝置的核心部分，負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收與處理，由CPU 及外圍電路組成。根據(jù)系統(tǒng)所需的I/O 口、存儲空間、通信接口等，監(jiān)測裝置CPU 選型ARM 處理器STM32103VB，處理器具有80 個I/O 口，滿足系統(tǒng)配置需求。外圍電路主要包括低速與高速晶振電路、JTAG 調(diào)試電路、復(fù)位電路及其他電路等。

3.3 信號調(diào)理電路

監(jiān)測系統(tǒng)傳感器信號包括電壓、電流、脈沖與電阻等信號，需要通過信號調(diào)理電路進行隔離、放大與濾波等過程，才能被CPU 接收處理。信號調(diào)理電路包括傳輸電路、電壓、電流、脈沖與電阻的調(diào)理電路。傳輸電路采用ADG708 芯片，通過使能端控制芯片的開啟與關(guān)閉，通過控制端控制轉(zhuǎn)換通道進行切換。

電路的前端為電源隔離模塊，保證采集端接地電平與傳感器接地電平一致，提高采集信號的精確度。經(jīng)過中段的穩(wěn)壓電路與鉗位電路，輸出一個0～5 V 的電壓信號，經(jīng)過比例電路處理，將電壓信號按比例轉(zhuǎn)換為0.6～3 V 的電壓信號，方便CPU 進行數(shù)據(jù)的采集與接收。

4 應(yīng)用效果分析

在應(yīng)用到現(xiàn)場前，需要對監(jiān)測系統(tǒng)的功能進行測試，包括溫度信號、電壓信號等參數(shù)的采集功能。測溫傳感器為PT100 型，輸出為電阻信號，通過設(shè)置6 種不同電阻，對比理論溫度值與測試溫度值，計算出系統(tǒng)的最大誤差，溫度測試數(shù)據(jù)如表1 所示。由表1 的數(shù)據(jù)可知，電阻為115.31 Ω 時，出現(xiàn)最大誤差，最大相對誤差為2.5%。

表1 溫度測試數(shù)據(jù)

測試電壓信號采集精度時，選取6 種不同的電壓信號值，對比理論轉(zhuǎn)換值與測試值，如表2 所示，系統(tǒng)電壓信號的最大相對誤差為1%。

表2 電壓測試數(shù)據(jù)

通過對各信號參數(shù)采集功能的測試，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，測試相對誤差較小，可滿足系統(tǒng)功能要求。

5 結(jié)語

本文針對礦井刮板輸送機提出了一種故障監(jiān)測系統(tǒng)，通過對常見故障類型進行分析，確定了系統(tǒng)的參數(shù)采集類型與監(jiān)測方案，設(shè)計了系統(tǒng)監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)，并試驗測試了系統(tǒng)參數(shù)采集功能，證明該測試系統(tǒng)的參數(shù)采集精度較高，滿足系統(tǒng)故障診斷需求，能有效提高系統(tǒng)故障診斷的精確性與可靠性。