李 曼，鄭思雨，劉浩東，王志鵬

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

傳感器是煤礦開采智能控制系統(tǒng)中的首要環(huán)節(jié)，全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的感知設(shè)備的位姿和工作狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵，也是煤礦智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。傳感器的可靠性及抗干擾能力的好壞決定了智能開采控制的準(zhǔn)確性，而電磁干擾是影響傳感器正常工作的主要干擾源之一[4]。煤礦井下空間相對(duì)封閉，大功率機(jī)電設(shè)備眾多且布置集中，巷道或工作面截面狹長(zhǎng)的空間中密布著各種金屬管線，使綜采工作面的電磁環(huán)境變得十分復(fù)雜[5]。因此對(duì)井下工作面?zhèn)鞲衅鞯目闺姶鸥蓴_能力提出了更高的要求。針對(duì)井下電磁干擾問題，文獻(xiàn)[6-7]對(duì)煤礦綜采工作面及采煤機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾情況進(jìn)行了研究，研究表明電機(jī)及變頻器附近干擾嚴(yán)重;文獻(xiàn)[8-9]分析了井下電磁干擾的來源及傳播路徑，提出了預(yù)防或抑制電磁干擾的一些措施,其中磁屏蔽是抑制電磁干擾最有效的方法；文獻(xiàn)[10]介紹了磁屏蔽的基本理論，建立仿真模型對(duì)不同條件下的屏蔽效果進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[11]通過對(duì)低頻磁屏蔽的理論研究，設(shè)計(jì)了一套磁屏蔽體，并對(duì)不同磁場(chǎng)干擾的屏蔽效能進(jìn)行了討論。針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下傳感器抗干擾的研究；文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了PCB電磁兼容設(shè)計(jì)并通過計(jì)算、仿真和試驗(yàn)完成了巨磁阻電流傳感器屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，抗干擾測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的傳感器具備抵抗強(qiáng)電磁干擾的能力；文獻(xiàn)[13]分析了影響礦用壓力傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度的煤礦井下主要電磁干擾源，對(duì)傳感器進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，以提高其抗干擾能力。隨著傳感器在煤礦開采智能化中重要性的大幅提升，煤礦井下復(fù)雜電磁環(huán)境下傳感器抗干擾問題受到廣泛關(guān)注，但迄今為止，針對(duì)這一問題的研究還不夠系統(tǒng)、深入和全面，尤其是采煤工作面區(qū)域的電磁環(huán)境研究更為缺乏[6]。

基于TLE5012B磁敏感元件設(shè)計(jì)了采煤機(jī)滾筒高度傳感器，針對(duì)傳感器安裝位置，分析了其工作環(huán)境的磁場(chǎng)干擾源，建立了采煤機(jī)、電纜和電動(dòng)機(jī)等相關(guān)干擾源模型。采用COMSOL Multiphysics軟件仿真分析了傳感器周圍的磁場(chǎng)環(huán)境。針對(duì)磁場(chǎng)特點(diǎn)和傳感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了磁屏蔽裝置。

1 采煤機(jī)滾筒高度的測(cè)量原理與傳感器結(jié)構(gòu)

1.1 滾筒高度測(cè)量原理

滾筒式采煤機(jī)搖臂通過銷軸與機(jī)身鉸接，滾筒安裝在搖臂上，采煤機(jī)在工作過程中，通過調(diào)高油缸調(diào)節(jié)搖臂擺角實(shí)現(xiàn)滾筒高度的改變，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of shearer

由圖1可知，滾筒高度H：

Η=Η1+R+Η2=Lsinθ+R+Η2

(1)

其中：R為滾筒半徑,mm;L為搖臂銷軸中心與滾筒中心的距離,mm;H1為與滾筒中心垂直距離,mm;H2為與截割地面的垂直距離,mm。R,L,H2均為采煤機(jī)固定參數(shù)，如果測(cè)得到搖臂擺角θ，即可求得滾筒高度H[14]。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)與安裝方法

采煤機(jī)滾筒高度傳感器中搖臂擺角的獲取選用基于巨磁阻效應(yīng)的集成化角度敏感元件TLE5012B。TLE5012B通過其外部平行磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度的變化實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量[15]。測(cè)量采煤機(jī)搖臂擺角，需要將搖臂擺角轉(zhuǎn)換為外部磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)角度，設(shè)計(jì)一種搖桿-旋轉(zhuǎn)裝置。搖桿-旋轉(zhuǎn)裝置安裝在采煤機(jī)銷軸處，如圖2所示。傳感器底座固定于采煤機(jī)側(cè)身，搖桿連接器固定在搖臂上，搖桿隨搖臂同步擺動(dòng)。

圖2 傳感器安裝示意Fig.2 Sensor installation

搖桿-旋轉(zhuǎn)裝置由底座、旋轉(zhuǎn)軸、搖桿、連接器和外殼構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中圓柱型底座固定在采煤機(jī)機(jī)身上，底座側(cè)面留有開口，作為滿足搖桿擺動(dòng)的活動(dòng)槽。磁鐵裝在旋轉(zhuǎn)軸頂端，搖桿一端通過連接器固定在采煤機(jī)搖臂上，另一端穿過底座的活動(dòng)槽與頂端裝有磁鐵的旋轉(zhuǎn)軸固定在一起，搖桿與采煤機(jī)搖臂同步擺動(dòng)，并將采煤機(jī)搖臂擺動(dòng)的角度轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。以旋轉(zhuǎn)軸頂部磁鐵作為磁阻傳感芯片外加磁場(chǎng)，將安裝有TLE5012B磁敏感應(yīng)芯片的PCB板固定在磁鐵正上方，磁鐵中心與TLE5012B中心的磁敏感應(yīng)區(qū)域相對(duì)。

圖3 搖桿-旋轉(zhuǎn)裝置示意Fig.3 Schematic of rocker-rotating device

2 滾筒高度傳感器的工作環(huán)境磁場(chǎng)仿真

2.1 滾筒高度傳感器工作環(huán)境中的電磁干擾源

煤礦井下空間相對(duì)封閉、電氣設(shè)備眾多，這些設(shè)備運(yùn)行形成了各類電磁干擾源。從煤礦自身的系統(tǒng)分析，電磁干擾的來源有內(nèi)部和外部2個(gè)方面。內(nèi)部干擾源主要來自環(huán)境溫度對(duì)設(shè)備內(nèi)部元件產(chǎn)生的影響。外部的干擾源主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：① 煤礦井下電力電纜造成的干擾。在電纜中突然接入大功率設(shè)備，會(huì)引起電壓波動(dòng)，形成高次分量頻譜，造成具有起伏性、周期性的脈沖電磁干擾。② 變頻裝置和外部大功率設(shè)備造成的電磁耦合效應(yīng)產(chǎn)生的電磁干擾。③ 井下大型電器設(shè)備啟停時(shí)引起的電源干擾。④ 外部電源漏電引起的電磁干擾。從本傳感器的安裝位置來考慮，主要干擾源有：采煤機(jī)的截割電機(jī)、破碎電機(jī)、牽引電機(jī)以及采煤機(jī)供電電纜和巷道鋪設(shè)電纜。

2.2 傳感器工作環(huán)境磁場(chǎng)仿真模型

采用SolidWorks軟件按照模型的復(fù)雜程度依次進(jìn)行建模。模型包括電纜、電機(jī)及采煤機(jī)。

1)仿真模型以Eickhoff公司的SL1000型采煤機(jī)為參照，根據(jù)其主要外形尺寸及功能部件繪制采煤機(jī)簡(jiǎn)化模型。采煤機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度為7 530 mm，搖臂長(zhǎng)度為3 717 mm，滾筒直徑為3 500 mm。

2)礦用高壓電纜模型。礦用高壓電纜模型有2種：采煤機(jī)自身供電的工頻電纜和巷道中鋪設(shè)的工頻電纜。2種電纜結(jié)構(gòu)相同，主要包含導(dǎo)電芯線、橡膠絕緣層、屏蔽層和外部保護(hù)材料。由于電纜中銅屏蔽層對(duì)磁場(chǎng)無(wú)效，所以模型中不設(shè)置銅屏蔽層。由于負(fù)載不同，2類電纜的尺寸也有所差異，其中采煤機(jī)供電電纜電壓為3 300 V，電纜直徑為45 mm，導(dǎo)線截面直徑為25 mm；巷道鋪設(shè)電纜電壓為6 000 V，電纜直徑為91.5 mm，導(dǎo)線截面直徑為50 mm，電纜模型如圖4所示。

圖4 電纜模型Fig.4 Cable model

3)電機(jī)部分主要考慮截割電機(jī)、牽引電機(jī)以及破碎電機(jī)。這3類電機(jī)均屬于三相異步電機(jī)，其功率大小有所不同。3類電機(jī)的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 三類電機(jī)相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of three types of motors

按照3種電機(jī)的實(shí)際尺寸創(chuàng)建簡(jiǎn)化模型，模型包含定子、轉(zhuǎn)子、不對(duì)稱的氣隙和電動(dòng)機(jī)外殼4個(gè)主要部分，電機(jī)模型如圖5所示。

圖5 電動(dòng)機(jī)模型Fig.5 Motor model

4)綜采工作面環(huán)境模型。根據(jù)采煤機(jī)外形尺寸創(chuàng)建寬3.5 m，高3 m的矩形封閉環(huán)境模型，并將內(nèi)部材料屬性定義為空氣。以采煤機(jī)為定位基準(zhǔn)，將建立好的電纜、電動(dòng)機(jī)模型導(dǎo)入到相應(yīng)的位置，構(gòu)成采煤機(jī)搖臂及周邊部分簡(jiǎn)化模型，如圖6所示。

圖6 仿真簡(jiǎn)化模型Fig.6 Simplified simulation model

2.3 仿真分析

使用COMSOL軟件的磁場(chǎng)模塊對(duì)井下綜采工作面的磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行仿真。將所建電纜、電機(jī)模型另存為sat文件后導(dǎo)入COMSOL仿真軟件中，設(shè)置模型的各項(xiàng)參數(shù)值，在模型開發(fā)器中添加物理場(chǎng)-磁場(chǎng)，并在穩(wěn)態(tài)研究中添加線圈幾何分析，對(duì)模型進(jìn)行定量的計(jì)算分析[16]。電纜分為采煤機(jī)供電電纜和巷道鋪設(shè)電纜，主要參數(shù)：2種電纜的直徑分別為45 mm和91.5 mm；電壓分別為3 300 V和6 000 V；導(dǎo)線和保護(hù)層的電導(dǎo)率分別為5.9×107S/m和0；相對(duì)磁導(dǎo)率及相對(duì)介電常數(shù)均為1。以采煤機(jī)供電電纜為例，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 電纜周圍磁場(chǎng)分布Fig.7 Magnetic field distribution around cable

電機(jī)分為截割電動(dòng)機(jī)、破碎電動(dòng)機(jī)和牽引電動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)：3種電動(dòng)機(jī)的電壓分別為3 300、3 300和690 V；線圈、定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)磁導(dǎo)率分別為1、30、30，電導(dǎo)率分別為5.9×107、0、1.6×106S/m，相對(duì)介電常數(shù)均為1。以截割電機(jī)為例，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 電機(jī)周圍磁場(chǎng)分布Fig.8 Magnetic field distribution around the motor

采煤機(jī)簡(jiǎn)化仿真模型包含上述2種電纜和3種電動(dòng)機(jī)，寬3.5 m，高3 m的矩形巷道內(nèi)部材料屬性為空氣。仿真結(jié)果如圖9所示，紅色流線為磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，流線越密，表示磁場(chǎng)越強(qiáng)。由圖可知靠近3個(gè)電機(jī)處磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，其中截割電機(jī)功率最大，其周圍磁場(chǎng)分布較密集。電纜周圍也存在磁場(chǎng)，其中巷道鋪設(shè)電纜負(fù)載最大，其周圍的磁場(chǎng)分布較為密集，磁感應(yīng)強(qiáng)度較大。

在模型開發(fā)器中計(jì)算仿真結(jié)果的派生值，得到仿真模型整體的磁感應(yīng)強(qiáng)度體最大最小值見表2。

表2 仿真模型整體磁感應(yīng)強(qiáng)度Table 2 Overall induction density of simulation model

滾筒高度傳感器安裝于采煤機(jī)搖臂銷軸處，其在模型中的坐標(biāo)(x,y,z)=(-1 500 mm,80 mm,500 mm)。由于磁敏感應(yīng)芯片檢測(cè)的是平行磁場(chǎng)，因此垂直于封裝表面的磁場(chǎng)BZ對(duì)傳感器的影響可以忽略。傳感器周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度軸向x方向最大值為1.158 5T,最小值為-1.236 0T；y方向最大值為1.208 9T，最小值為-1.322 7T。

3 磁屏蔽裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真結(jié)果，仿真模型整體及傳感器周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1～4 T，大于TLE5012B的工作磁場(chǎng)范圍30～50 mT，為保證滾筒高度傳感器在井下正?？煽抗ぷ?，需采取磁屏蔽措施。

3.1 磁屏蔽原理

磁屏蔽是利用高磁導(dǎo)率材料中的低磁阻來實(shí)現(xiàn)磁通分流，進(jìn)而減弱屏蔽體內(nèi)部的磁場(chǎng)[17]。屏蔽體的有效性用磁屏蔽效能(ES)來度量，表示屏蔽體對(duì)磁場(chǎng)的衰減程度，屏蔽衰減值越大，屏蔽效果越好。

(2)

式中：B1、B2分別為無(wú)、有屏蔽時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,T。

磁屏蔽分為3種情況：靜磁屏蔽、低頻電磁屏蔽和高頻電磁屏蔽。井下干擾磁場(chǎng)主要由工頻電纜及電機(jī)產(chǎn)生，我國(guó)電力系統(tǒng)供電電源的頻率為低頻50 Hz，因此主要考慮低頻電磁屏蔽。

3.2 磁屏蔽裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及屏蔽材料的選取

結(jié)合滾筒高度傳感器的結(jié)構(gòu)，磁屏蔽外殼設(shè)計(jì)成一端有開口的圓柱形殼體，內(nèi)半徑為a，外半徑為b，其磁屏蔽效能ES[18]：

(3)

由磁屏蔽的原理可知，磁屏蔽材料的磁導(dǎo)率越高、屏蔽罩越厚，則磁阻Rm越小，磁屏蔽效果越好[19]。鋼、硅鋼片和鐵鎳合金等都是常見的鐵磁材料，其磁特性見表3。

表3 常用合金的磁特性Table 3 Magnetic properties of common alloys

由于材料的磁導(dǎo)率會(huì)隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而升高，達(dá)到一定值時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生飽和，磁導(dǎo)率急劇下降，從而失去磁屏蔽作用。因此，在強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁導(dǎo)率很高的材料沒有良好的屏蔽效能[20]。由表4可知，硅鋼同時(shí)具有適當(dāng)飽和特性和足夠磁導(dǎo)率，適用于強(qiáng)磁環(huán)境，而且其穩(wěn)定性好、成本低，所以本文選擇硅鋼片作為磁屏蔽殼的材料。根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸，磁屏蔽殼內(nèi)半徑a取100 mm，40 dB的磁屏蔽效能下，屏蔽殼外半徑b≈103 mm。磁屏蔽裝置外殼如圖10所示。

圖10 磁屏蔽裝置外殼Fig.10 Magnetic shield enclosure

3.3 磁屏蔽效果

由式(2)計(jì)算磁屏蔽效能為40 dB時(shí)屏蔽后的采煤機(jī)模型和傳感器周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度，屏蔽前后磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比見表4。屏蔽后傳感器周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度為10～45 mT，在TLE5012B芯片正常工作時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，達(dá)到了屏蔽要求。

表4 屏蔽前后磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)比Table 4 Comparison of magnetic induction intensity before and after shielding

4 結(jié) 論

1)以TLE5012B磁敏元件設(shè)計(jì)角度傳感器，易于與微處理器、外圍電路集成，實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量的數(shù)字化和智能化。基于TLE5012B磁敏元件的采煤機(jī)滾筒高度傳感器通過獲取采煤機(jī)搖臂擺角，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)截割高度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2)使用COMSOL軟件對(duì)井下綜采工作面環(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行仿真得到：截割電機(jī)及巷道鋪設(shè)電纜附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，仿真模型整體和傳感器周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1～4 T，大于TLE5012B正常工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍30～50 mT。

3)針對(duì)傳感器周圍磁場(chǎng)特點(diǎn)及傳感器結(jié)構(gòu)，選取硅鋼片作為屏蔽材料，設(shè)計(jì)了高70 mm、厚3 mm的圓柱形殼體磁屏蔽裝置，結(jié)果表明該裝置可有效屏蔽99%的磁場(chǎng)干擾，屏蔽后傳感器周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度為10～45 mT,達(dá)到了本滾筒高度傳感器屏蔽要求。