孛一峰

(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

0 引言

隨著現(xiàn)代化礦井的建設(shè)與各種機(jī)械化、自動(dòng)化設(shè)備以及現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)在煤礦系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使得煤礦機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制得到快速發(fā)展。礦用減速器廣泛應(yīng)用在煤礦井下刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和皮帶輸送機(jī)等設(shè)備中，是煤礦機(jī)械傳動(dòng)裝置的重要設(shè)備，其重要性不言而喻。減速機(jī)能否高效可靠地運(yùn)行對(duì)煤礦的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響。

減速器內(nèi)部有用于軸承潤(rùn)滑和油溫冷卻的潤(rùn)滑油，因此，在軸承軸端需要油封來(lái)進(jìn)行密封，油封材料大部分為丁晴膠和氟橡膠，雖然其規(guī)定的許用溫度范圍較大(一般為-30 ℃～100 ℃)，但長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境會(huì)使其老化，從而造成減速器漏油等故障。由于應(yīng)用于煤礦機(jī)械領(lǐng)域的減速器功率大、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)熱量大，所以需要及時(shí)對(duì)減速器潤(rùn)滑油的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度達(dá)到許用最大值時(shí)，就必須采取相應(yīng)措施，如加大冷卻水流量或者停機(jī)等方法，避免由于潤(rùn)滑油溫度過(guò)高導(dǎo)致減速器油封和軸承等部位出現(xiàn)老化、磨損失效[1-2]。

目前煤礦井下設(shè)備溫度檢測(cè)大多由現(xiàn)場(chǎng)工人采用觸摸、簡(jiǎn)單的紅外測(cè)溫儀等方法進(jìn)行，受操作人員水平的影響較大，且不能進(jìn)行有效的反饋，及時(shí)對(duì)冷卻水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。為了克服這些缺點(diǎn)，本文提出了一種基于單片機(jī)和溫度傳感器并采用數(shù)字化單總線技術(shù)的溫度測(cè)控系統(tǒng)，用于礦用減速器潤(rùn)滑油溫度的監(jiān)測(cè)與控制，它可以對(duì)應(yīng)用于井下輸送機(jī)減速器的高速軸與油溫進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，并分別對(duì)空載與負(fù)載兩種情況下的減速器溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 技術(shù)指標(biāo)

減速器性能的好壞直接影響著整機(jī)設(shè)備的質(zhì)量。根據(jù)MT/T 681—1997煤礦用帶式輸送機(jī)減速器技術(shù)條件，應(yīng)用于煤礦輸送機(jī)的減速器溫度應(yīng)該符合以下要求：減速器高速軸軸承溫度≤70 ℃；減速器油溫≤70 ℃。

2 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

減速器高速軸轉(zhuǎn)速較高，一般與減速器配套的防爆電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，因此高速軸部位的潤(rùn)滑油溫度在減速器中最高，位于高速軸的油封及軸承等零件比其他部位的更容易老化和失效，所以本方案擬僅對(duì)減速器高速軸的潤(rùn)滑油溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其他部位溫度遠(yuǎn)低于高速軸部位。在減速器箱體中加工螺紋孔，通過(guò)溫度傳感器的螺紋即可將其安裝在減速器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)對(duì)減速器溫度的在線測(cè)量，溫度傳感器在減速器中的安裝示意圖如圖1所示。

圖1 溫度傳感器在減速器中的安裝示意圖

由于系統(tǒng)需要對(duì)減速器中潤(rùn)滑油溫進(jìn)行測(cè)量和調(diào)節(jié)，因此提出采用單片機(jī)和單總線系統(tǒng)對(duì)減速器高速軸潤(rùn)滑油溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的方法。這種方法硬件之間的連接非常簡(jiǎn)單，用單片機(jī)任意一并口與單總線連接來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸，還可通過(guò)轉(zhuǎn)換器串行口使單片機(jī)與上位計(jì)算機(jī)連接，可以非常方便地在煤礦井上控制中心計(jì)算機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行高級(jí)的軟件管理與調(diào)控。

基于單片機(jī)和溫度傳感器的煤礦井下減速器溫度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，由溫度傳感器、串口通信和流量泵組成一個(gè)集溫度的采集、處理、顯示和自動(dòng)控制為一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。

2.1 溫度傳感器

溫度傳感器是對(duì)溫度進(jìn)行在線測(cè)量的裝置。本系統(tǒng)選用的溫度傳感器是DS18B20，采用了單總線協(xié)議，與單片機(jī)的接口只占用一個(gè)I/O口，連接極為簡(jiǎn)單，符合煤礦領(lǐng)域簡(jiǎn)單可靠的準(zhǔn)則。同時(shí)，它具有微型化、功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在硬件的連接上，通過(guò)變壓器將溫度傳感器DS18B20接外部電源，其GND端接地，溫度傳感器的I/O與單片機(jī)的I/O線相連。

圖2 溫度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)框圖

2.2 單片機(jī)

單片機(jī)顧名思義就是一種集成電路的芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)等功能集成到一塊芯片上。

在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用單片機(jī)，采用單片機(jī)對(duì)溫度傳感器進(jìn)行編程，從而讀取溫度傳感器的溫度值，并把溫度值通過(guò)串口通信送入計(jì)算機(jī)從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)的溫度顯示與控制。本系統(tǒng)選用了較為常用且經(jīng)濟(jì)的51單片機(jī)[4]。

2.3 設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)的工作原理就是進(jìn)行單片機(jī)編程，使智能溫度傳感器正常工作，檢測(cè)礦用減速器高速軸內(nèi)的潤(rùn)滑油溫，并由數(shù)字方式實(shí)時(shí)顯示出溫度值。如果溫度傳感器采集的溫度值高于上限報(bào)警溫度，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，并同時(shí)增大冷卻水流量，使減速器潤(rùn)滑油的溫度下降，當(dāng)油溫下降到一定的程度，即低于上限復(fù)位值時(shí)，減小冷卻水流量，達(dá)到節(jié)能的目的。減速器溫度監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 溫度監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

減速器內(nèi)部布置有螺旋狀的冷卻管，材料為高導(dǎo)熱性的紫銅，通過(guò)內(nèi)部的第二軸或者第三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)給外接流量泵提供動(dòng)力裝置。對(duì)于大功率減速器，由于其發(fā)熱量大，自身的冷卻水泵不能滿足其對(duì)溫度的控制，需要另外配置流量泵，本文對(duì)溫度的控制采用外接流量泵，并通過(guò)單片機(jī)控制其閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)減速器內(nèi)部溫度的控制[5]。

3 程序設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)程序流程，溫度傳感器開(kāi)始檢測(cè)油溫，檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)單總線傳輸?shù)?1單片機(jī)并處理，通過(guò)I/O口輸出到數(shù)碼管上進(jìn)行數(shù)字顯示；如果溫度超過(guò)設(shè)定范圍蜂鳴器將報(bào)警，同時(shí)加大冷卻水流量；溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信發(fā)送到上位機(jī)，這就實(shí)現(xiàn)了減速器高速軸溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 測(cè)量結(jié)果

對(duì)某減速器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到了空載、負(fù)載和強(qiáng)制冷卻情況下減速器高速軸部位溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示。從圖4中可以看到：在空載情況下，減速器溫度在120 s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最高溫度為85 ℃；在負(fù)載的情況下，減速器溫度上升比空載狀態(tài)較快，在100 s左右達(dá)到穩(wěn)定，但穩(wěn)定后的溫度高于空載狀態(tài)，最高溫度為95 ℃。

根據(jù)第一節(jié)所述的MT/T 681—1997 煤礦用帶式輸送機(jī)減速器技術(shù)條件，減速器溫度應(yīng)不超過(guò)70 ℃，所以需要對(duì)該減速器內(nèi)部溫度進(jìn)行控制，通過(guò)采取強(qiáng)制冷卻的方法進(jìn)行冷卻。從圖4可以看到，當(dāng)減速器處于強(qiáng)制冷卻時(shí)，在90 s左右達(dá)到穩(wěn)定，最高溫度為66 ℃，符合減速器溫度標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 減速器空載、負(fù)載和強(qiáng)制冷卻時(shí)溫度隨時(shí)間的變化

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于單片機(jī)、溫度傳感器和流量泵的礦用減速器溫度在線測(cè)量與控制的方法，通過(guò)對(duì)減速器溫度的監(jiān)測(cè)以及對(duì)冷卻水流量的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)減速器油溫的控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)空載、負(fù)載和強(qiáng)制冷卻三種情況下的減速器溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)比分析結(jié)果表明：該方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)其他領(lǐng)域的溫度監(jiān)測(cè)同樣有著借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張玉偉，姚紅玲.基于STC單片機(jī)的煤礦智能溫濕度控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].煤炭技術(shù)，2013(11):72-73.

[2] 張菁.單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)方案的研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41(1):142-144.

[3] 張開(kāi)生，郭國(guó)法.MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2005(7):68-69.

[4] 夏大勇，周曉輝，趙增，等. MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007(1):43-46.

[5] 呂俊亞.一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29(7):230-233.