劉志鑫 黃德光 劉道龍

（山東能源棗礦集團(tuán)濱湖煤礦，山東 棗莊 277000）

目前，大多數(shù)采煤機(jī)都實(shí)現(xiàn)了牽引速度手動(dòng)和自動(dòng)控制，而采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高控制仍在探索階段[1]。智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智能化采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題，因?yàn)樯婕暗浇馗顣r(shí)煤巖層界面的確定，而導(dǎo)致研究工作難度大、進(jìn)展慢[2]。目前對(duì)采煤機(jī)自動(dòng)控制方面的研究主要根據(jù)識(shí)別的煤巖界面來(lái)確定采煤機(jī)的截割路徑和通過(guò)前一次截割循環(huán)中采煤機(jī)在同一位置的截割高度推斷出本次截割循環(huán)中采煤機(jī)截割高度的記憶截割[3-5]?？梢?jiàn)，真正意義上實(shí)現(xiàn)智能化采煤機(jī)的自動(dòng)控制還有很多的研究工作需要完成。

1 智能化采煤機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)涉及多達(dá)幾十種，按所屬系統(tǒng)可以分為采煤機(jī)位姿信息、截割電機(jī)信息、牽引電機(jī)信息、搖臂信息、總線系統(tǒng)等；按信號(hào)的種類(lèi)可以分為模擬量信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)等。

1.2 總體設(shè)計(jì)及思路

（1）總體設(shè)計(jì)

智能化采煤機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)分為兩大部分：上位機(jī)交互界面設(shè)計(jì)與下位機(jī)傳感單元設(shè)計(jì)。根據(jù)下位機(jī)設(shè)計(jì)方式的不同，信號(hào)模塊分為兩種方案：一種是按傳感器信號(hào)的種類(lèi)劃分信號(hào)模塊，一種是按信號(hào)所屬系統(tǒng)劃分信號(hào)模塊。

方案一：此方案將下位機(jī)信號(hào)模塊分為開(kāi)關(guān)量信號(hào)模塊、模擬量信號(hào)模塊、數(shù)字量信號(hào)模塊、頻率量信號(hào)模塊等。

方案二：該方案將傳感模塊分為多個(gè)模塊，具體包括采煤機(jī)位姿監(jiān)測(cè)模塊、牽引電機(jī)信息模塊、搖臂信息模塊等。

方案二相對(duì)于方案一而言，不僅克服了信號(hào)歸類(lèi)混亂等缺點(diǎn)，而且信號(hào)模塊以信號(hào)所屬系統(tǒng)劃分，不僅方便管理，而且便于信號(hào)的統(tǒng)計(jì)和通信地址的分配。

綜合上述考慮，選擇方案二設(shè)計(jì)。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)采用各類(lèi)信號(hào)的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)采煤機(jī)信號(hào)的類(lèi)型分為采煤機(jī)位姿信號(hào)、截割電機(jī)信號(hào)、牽引電機(jī)信號(hào)、搖臂信息等。此外，添加了串口通信設(shè)置選項(xiàng)，用于串口的選擇和配置。系統(tǒng)軟件工作主流程圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)軟件工作主流程圖

2 震動(dòng)傳感器單元研制

2.1 無(wú)線振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)旨在解決現(xiàn)有傳感器安裝布線難的問(wèn)題，消除了傳統(tǒng)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)傳輸中存在的嚴(yán)重干擾，有效提高信噪比，使拾取矢量參數(shù)能夠高保真、高速高精度的傳輸。無(wú)線振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了三軸MEMS 加速度傳感器、三軸MEMS 陀螺儀技術(shù)、無(wú)線傳感器技術(shù)等，設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能簡(jiǎn)化振動(dòng)數(shù)據(jù)采集中的電路。

2.2 傳感器單元性能測(cè)試

為了實(shí)現(xiàn)煤礦井下采煤機(jī)截割振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)本安電路設(shè)計(jì)原則，利用振動(dòng)傳感器芯片MPU6050、無(wú)線傳輸芯片CC-2530、微控制器芯片STM32F103VET6 以及接口芯片設(shè)計(jì)出一種本安型無(wú)線振動(dòng)傳感器。

3 智能化采煤機(jī)截割監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)條件的限制，采煤機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且訫G300 電牽引采煤機(jī)為原型，實(shí)際采煤機(jī)機(jī)身總長(zhǎng)為5940 mm，兩行走輪跨距為4860 mm，搖臂有效長(zhǎng)度為2160 mm，實(shí)現(xiàn)采高范圍為1.9～3.8 mm，最大臥底量可達(dá)到464 mm。研究無(wú)線振動(dòng)傳感器采集采煤機(jī)搖臂的振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)相似原理簡(jiǎn)化采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)，而采煤機(jī)滾筒的直徑、滾筒的寬度為設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，使模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能滿(mǎn)足試驗(yàn)性能要求。采煤機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 采煤機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

其工作原理如下：（1）采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)模型的滾筒，電機(jī)和滾筒之間通過(guò)同步齒形帶連接。（2）采煤機(jī)在刮板運(yùn)輸機(jī)上沿工作面方向行走。智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)主控制界面如圖3。

圖3 智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)主控制界面

（1）試驗(yàn)步驟

① A302EX 傳感器有磁性，直接吸附在采煤機(jī)搖臂的頂部就可以，而研制的本安型振動(dòng)傳感器和傾角傳感器需要用502 膠固定在搖臂頂端，用來(lái)采集軸承的振動(dòng)信號(hào)和傾角信號(hào)。

② 研制傳感器的接收網(wǎng)關(guān)直接連接到計(jì)算機(jī)，將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)保存起來(lái)。

③ 靜止時(shí)，測(cè)量噪聲信號(hào)。分別測(cè)量搖臂模擬切割、電機(jī)啟動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)平穩(wěn)模擬切割、采煤機(jī)行走過(guò)程切割狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)和傾角信號(hào)，并將采集到的信號(hào)保存起來(lái)。

（2）試驗(yàn)注意事項(xiàng)

① 正確安裝傳感器，遵循“就近原則”，在監(jiān)測(cè)或者診斷某位置時(shí)將傳感器安裝在該部件上，一般放在該部件正上方。

② 由于傳感器的輸入靈敏度高，要正確接地，盡量避免靠近各種干擾源量的準(zhǔn)確度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）以采煤機(jī)模型為被測(cè)對(duì)象，電機(jī)工作頻率50 Hz，采煤機(jī)靜止時(shí)測(cè)得搖臂振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)如圖4。采煤機(jī)靜止時(shí)，搖臂的三個(gè)軸傾角分別為128°、91°、38°，圖中三個(gè)軸的幅值變化不大，屬于噪聲干擾，可以從頻域圖得知。

圖4 臂振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)信息1

（2）采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)測(cè)得搖臂振動(dòng)信號(hào)信息如圖5，包括振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域圖、頻域圖以及搖臂的傾角圖。采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于振動(dòng)的影響，搖臂的三個(gè)軸傾角分別為128°、91°、38°波動(dòng)。從時(shí)域圖和頻域圖可看出，原始信號(hào)時(shí)域圖中y 軸振動(dòng)幅度較大，頻域圖最高幅值為0.021，滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)主要引起y 軸的變化。

圖5 臂振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)信息2

（3）采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于振動(dòng)的影響，搖臂的三個(gè)軸傾角分別為128°、91°、38°波動(dòng)，y 軸、z 軸較第二種情況波動(dòng)大。由時(shí)域圖和頻域圖可看出，原始信號(hào)時(shí)域圖中y 軸振動(dòng)幅度較大，頻域圖200 Hz 最高幅值為0.08，主要來(lái)自電動(dòng)機(jī)的影響，330 Hz 最高幅值為0.024，x 軸最大幅值0.013，z 軸最大幅值0.015，三個(gè)軸的振動(dòng)發(fā)生變化。

（4）電機(jī)啟動(dòng)采煤機(jī)行走滾筒模擬切割時(shí)測(cè)得搖臂振動(dòng)信號(hào)。采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于振動(dòng)的影響，搖臂的三個(gè)軸傾角分別為128°、91°、38°波動(dòng)，波動(dòng)變大。由時(shí)域圖和頻域圖可看出，原始信號(hào)時(shí)域圖中y 軸振動(dòng)幅度較大，頻域圖200 Hz 最高幅值為0.055，主要來(lái)自電動(dòng)機(jī)的影響，330 Hz 最高幅值為0.033。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案及各部分模塊的功能實(shí)現(xiàn)形式；完成智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

（2）提出基于振動(dòng)特性監(jiān)測(cè)智能化采煤機(jī)截割狀態(tài)的方法，根據(jù)設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)出一種本安型無(wú)線振動(dòng)傳感器。通過(guò)樣品測(cè)試，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足最小尺寸、最低功耗、便于攜帶與安裝的要求。

（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室模擬采煤機(jī)不同載荷試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)智能化采煤機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。