摘要：針對現(xiàn)代煤炭企業(yè)對即時(shí)監(jiān)測和故障預(yù)警的迫切需求，設(shè)計(jì)一款主井提升載荷在線檢測及故障診斷的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括檢測、監(jiān)測、自查、查詢4個(gè)方面的功能，采用了高性能有機(jī)膠粘劑和耐磨有機(jī)涂層材料，增強(qiáng)了傳感器安裝的穩(wěn)定性和關(guān)鍵零件的耐用性。對在線檢測系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將所設(shè)計(jì)的提升載荷在線檢測及故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的煤礦生產(chǎn)中，確保系統(tǒng)能夠在惡劣礦井環(huán)境下的長期可靠運(yùn)行。結(jié)果表明，提升載荷在線檢測及故障診斷系統(tǒng)有效避免了各類故障，減少了主井的停機(jī)時(shí)間，有效確保主井提升系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：主井提升機(jī)；在線檢測；煤礦企業(yè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TQ531.9；TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1001-5922（2025）01-0121-04

Design and application of online detection technology of a new generation of main shaft hoisting system for coal mine

MA Fenglin1，YAN Xiangning1，WANG Peng2，SHU Lichun2，LI Zunlong1

（1.Shanghai Da Tun Energy Holding Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China；

2.Information Research Institute of the Ministry of Emergency Management，Beijing 100029，China）

Abstract：In view of the urgent needs of modern coal enterprises for real-time monitoring and fault early warning，a system for online detection and fault diagnosis of main shaft lifting load was designed.The system included four functions：detection，monitoring，self-inspection and query，and adopted high-performance organic adhesives and wear-resistant organic coating materials to enhance the stability of sensor installation and the durability of key parts.The hardware and software of the online detection system were designed，and the designed online detection and fault diagnosis system of lifting load was applied to the actual coal mine production to ensure the long-term reliable operation of the system in the harsh mine environment.The results showed that the online detection and fault diag?nosis system of lifting load can effectively avoid all kinds of faults，reduce the downtime of the main well，and en?sure the continuous and stable operation of the main shaft hoisting system.

Key words：main shaft hoist；online detection；coal mining enterprises；system design

主井提升系統(tǒng)作為煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響到煤礦的安全和生產(chǎn)效率[1-2]。傳統(tǒng)主井提升系統(tǒng)檢測主要依賴于人工巡檢和定期維護(hù)，無法滿足現(xiàn)代煤炭企業(yè)對即時(shí)監(jiān)測和故障預(yù)警的迫切需求[3]。為更好地適應(yīng)礦井內(nèi)惡劣的環(huán)境，提高設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性，通過高性能有機(jī)膠粘劑固定傳感器和電子元器件。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，主井提升載荷異常引發(fā)的礦井事故時(shí)有發(fā)生，不僅導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降，甚至威脅礦工的生命安全[4]。導(dǎo)致出現(xiàn)故障的原因主要是過載、卡罐、張力不平衡、卸載不徹底等[5]?；诖?，設(shè)計(jì)主井提升載荷在線檢測系統(tǒng)。通過載荷在線檢測系統(tǒng)來實(shí)時(shí)了解主井提升載荷的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障，有效確保礦井的安全生產(chǎn)，避免重大安全事故的發(fā)生。

1硬件與軟件設(shè)計(jì)

1.1硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一套完整的信號(hào)采集與處理方案，其采用STM32單片機(jī)來對壓力信號(hào)進(jìn)行采集，通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒉杉降男盘?hào)傳輸?shù)綗o線接收器上[6-7]。采用有機(jī)高分子絕緣材料的光纖作為傳輸媒介，確保信號(hào)在復(fù)雜、惡劣環(huán)境下的傳輸。RS485總線通信中采用差分信號(hào)傳輸，其自身具備一定的抗干擾能力，同時(shí)高質(zhì)量的絕緣材料能夠進(jìn)一步降低外部電磁干擾對信號(hào)的不良影響，從而大大提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃訹8]。在工控機(jī)內(nèi)安裝有開關(guān)量采集卡，用于檢測提升信號(hào)，包括過載、卡罐、張力不平衡、未卸凈等故障情況。開關(guān)量采集卡負(fù)責(zé)對提升信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，當(dāng)檢測到故障信號(hào)時(shí)，立即進(jìn)行故障判斷。一旦發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)通過聲光報(bào)警裝置進(jìn)行警示，提醒操作人員及時(shí)處理故障，確保提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在線檢測系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

由圖1可知，在線檢測系統(tǒng)由無線采集發(fā)射器、無線接收器、充發(fā)電裝置、工控機(jī)組成。為確保采集壓力信號(hào)的精度，采用ADI公司的AD7490芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過STM32單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的采集處理[9]。考慮到采集發(fā)射器安裝在主井提升罐上，因此必須通過外部電池來對系統(tǒng)供電。為避免頻繁更換電池，設(shè)計(jì)一款新的充發(fā)電裝置。剛性罐道通常由主罐耳和2個(gè)側(cè)罐耳組成，其在提升容器運(yùn)行過程中起到導(dǎo)向、緩沖和穩(wěn)定運(yùn)行的重要作用。通過調(diào)節(jié)其中一個(gè)側(cè)罐耳與罐道的相對位置，使其在整個(gè)提升過程中始終與罐道保持緊密接觸。罐耳隨著提升容器的運(yùn)行自轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)附設(shè)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。為增加電氣元件在惡劣環(huán)境下的服役壽命，采用防水、防塵的有機(jī)硅密封膠來保護(hù)電纜接口，從而避免水分、灰塵以及其它腐蝕性物質(zhì)的侵入。在提升機(jī)正常工作時(shí)，充發(fā)電裝置將發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電力供給無線采集發(fā)射器，并將多余的電能存儲(chǔ)到電池中。當(dāng)提升機(jī)停車檢修時(shí)，蓄電池將為系統(tǒng)提供持續(xù)的電力供應(yīng)，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2有機(jī)材料及膠類故障

有機(jī)材料與高性能膠類在新一代主井提升載荷在線檢測系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，要降低有機(jī)材料及膠類的故障率。在傳感器安裝的過程中采用高性能的有機(jī)膠粘劑，使得傳感器的安裝更加牢固。特別是在極端服役環(huán)境下的煤礦井下往往高濕度、多粉塵、振動(dòng)頻繁，要使傳感器依舊能夠穩(wěn)定地粘附在指定的位置，為持續(xù)監(jiān)測提供保障。在系統(tǒng)的關(guān)鍵部件往往有耐磨有機(jī)涂層，通過涂層提供額外保護(hù)層，減少零件直接暴露在惡劣環(huán)境下的磨損，延長設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)成本。另外，在振動(dòng)、沖擊等機(jī)械應(yīng)力作用下，膠粘劑內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致膠粘劑連接效果的削弱。長時(shí)間的摩擦、磨損會(huì)導(dǎo)致有機(jī)涂層的厚度減少，金屬基體暴露，進(jìn)而金屬基體受到腐蝕。在涂層磨損的過程中會(huì)產(chǎn)生微小的顆粒，這些微小顆粒在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)時(shí)會(huì)加劇其它部件的磨損，形成惡性循環(huán)，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1.3軟件設(shè)計(jì)

軟件由下位機(jī)單片機(jī)信號(hào)采集處理和發(fā)射程序，上位機(jī)由LabView監(jiān)測顯示程序所組成[10-12]。下位機(jī)完成對鋼絲繩張力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)模轉(zhuǎn)化、無線數(shù)據(jù)發(fā)射。考慮到采集的信號(hào)包含噪聲，采用奇異值分解方法進(jìn)行降噪處理，具體流程如圖2所示。

下位機(jī)上電后先對系統(tǒng)初始化，由單片機(jī)控制來采集實(shí)測信號(hào)。設(shè)xt為采集到的實(shí)測信號(hào)，其可以表示為不含噪聲信號(hào)st和噪聲信號(hào)nt的和，即：

由于實(shí)測振動(dòng)信號(hào)為時(shí)間序列，采用奇異值分解必須將信號(hào)xt構(gòu)造成矩陣形式。Hankel矩陣具有低失真特點(diǎn)，因此采用xt構(gòu)造Hankel矩陣[13]，即：

式中：N為信號(hào)xt的長度，且滿足mNn1。

對矩陣A進(jìn)行奇異值分解[14]，

式中：矩陣U和矩陣V為單位正交矩陣，且URmm，VRnn；矩陣S為對角矩陣，且SRmn，其可以表示為[15]：

式中：lminm n，且σ1gt;σ2gt;…gt;σlgt;0。

將矩陣U和矩陣V寫成向量的形式，即Uu1 u2…um，Vv1 v2…vn，那么矩陣A可以表示為

由此可見，矩陣A有l(wèi)個(gè)奇異值。對不含噪聲的信號(hào)st而言，其有效奇異值為非零奇異值。對包含噪聲的信號(hào)xt而言，其許多的非零奇異值是由噪聲信號(hào)nt所產(chǎn)生的。采用奇異值分解降噪的關(guān)鍵是將信號(hào)產(chǎn)生的奇異值和噪聲產(chǎn)生的奇異值區(qū)分開來，從而將st的頻率從xt中提取出來。由于信號(hào)的一個(gè)頻率對應(yīng)于2個(gè)非零奇異值，且這2個(gè)奇異值相鄰，它們之間不存在其它的奇異值，因此，奇異值個(gè)數(shù)的選擇直接關(guān)系到信號(hào)降噪的質(zhì)量[17]。

采用奇異值降噪的核心是有效奇異值個(gè)數(shù)的選擇，通過合理選擇奇異值，從而達(dá)到信號(hào)與噪聲分離的目的。很明顯，奇異值發(fā)生突變的位置是需要關(guān)注的位置，因此引入奇異值差分序列，即[18]：

奇異值差分序列b反映了相鄰奇異值之間的變化，在差分序列中的最大尖峰位置就是奇異值發(fā)生最大突變的位置，往往也是信號(hào)和噪聲的分界線。實(shí)踐表明，如果僅考慮差分序列中的最大尖峰位置，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中的有用成分被濾除。如果奇異值差分序列中最大尖峰位置位于第2個(gè)位置，那么需要繼續(xù)尋找差分序列中的次大尖峰位置，從而將次大尖峰位置作為信號(hào)和噪聲的分割位置。如果奇異值序列中最大尖峰位置之前存在次大尖峰，那么將最大尖峰位置作為信號(hào)和噪聲的分割位置。在確定信號(hào)和噪聲的分割位置之后，將該位置之后的奇異值置為0，保留該位置和之前的奇異值。通過對奇異值的處理，達(dá)到對實(shí)測振動(dòng)信號(hào)降噪的目的。

每一個(gè)子矩陣Ai對應(yīng)原始信號(hào)的一個(gè)奇異值分量，xi可以通過提取子矩陣Ai的第一行和最后一列得到，如圖3所示[19-20]。

降噪后信號(hào)x（?）由提取的前k個(gè)分量線性疊加得到，即[20]

降噪后的信號(hào)通過無線發(fā)送給上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件完成其與下位機(jī)之間的串口通信。在接收到下位機(jī)程序發(fā)送過來的信號(hào)之后對信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示，同時(shí)結(jié)合處理的結(jié)果來對主井提升載荷進(jìn)行在線檢測及故障診斷。主井提升載荷檢測主要包括過載檢測、卡罐檢測、張力不平衡檢測、卸載不徹底檢測，結(jié)合不同類型故障檢測的原理來實(shí)施故障診斷，從而發(fā)出預(yù)警，避免重大安全事故的發(fā)生。圖4為上位機(jī)監(jiān)測界面。

2實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)過測試表明，所設(shè)計(jì)的主井提升載荷在線檢測及故障診斷系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、靈敏、實(shí)時(shí)跟蹤提升罐鋼絲繩載荷，準(zhǔn)確判斷提升作業(yè)過程中的狀態(tài)。通過應(yīng)用該系統(tǒng)，有效減輕了一線技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也使得企業(yè)的生產(chǎn)效率大大提升。在煤礦生產(chǎn)實(shí)際過程中，系統(tǒng)時(shí)常會(huì)監(jiān)測到過載、卡罐等故障，從而導(dǎo)致部件出現(xiàn)磨損。為了減少磨損，增強(qiáng)耐磨性，采用聚氨酯類耐磨涂層來對鋼絲繩、提升容器接觸面進(jìn)行處理。

3結(jié)語

為有效解決主井提升過程中存在的過卷、墜罐、蹲罐、松繩、短繩等故障，設(shè)計(jì)了主井提升載荷在線檢測及故障診斷系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對裝載量、余煤量的檢測，實(shí)施卡罐、張力不平衡的監(jiān)測，同時(shí)系統(tǒng)自身可以進(jìn)行故障自檢和歷史故障的查詢。將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用于山西大同某煤礦生產(chǎn)企業(yè)中，實(shí)際運(yùn)行效果表明，所設(shè)計(jì)的主井提升載荷在線檢測及故障診斷系統(tǒng)能夠有效減少一線技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率。這對提升煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）