基于截割振動信號的煤巖識別裝置研究

石 崗

(山西焦煤集團 西山煤電股份有限公司 西曲礦 綜采準備隊，山西 古交 030200)

0 引言

隨著相關技術的發展，我國的煤炭開采技術朝著自動化和智能化的方向發展。煤巖識別技術是實現采煤機滾筒自動調高的前提，在采煤機推進過程中，根據截齒應力和振動狀態，結合采煤機電控系統信息，煤巖識別裝置能夠控制采煤機滾筒高度，有利于所開采原煤中矸石含量下降，使得工作面工作環境得到明顯改善。目前市場上沒有成熟的煤巖識別裝置，其相關技術研究對于采煤作業具有重大意義。

1 采煤機及其作業原理

1.1 采煤機簡介

電牽引雙滾筒采煤機是一種廣泛應用于煤礦的綜合機械化采煤設備，多用于長臂工作面開采，因此又稱為長臂采煤機。根據功能不同，可將電牽引雙滾筒采煤機分為截割裝置、牽引裝置、電控裝置和輔助裝置等幾部分。截割裝置的功能是截割和裝載，由電機、齒輪箱、滾筒及其調高裝置組成。牽引裝置的功能是牽引采煤機移動，由電機、傳動裝置等組成。電控裝置的功能是對采煤機進行調速、保護和信息處理。輔助裝置有用于調整截割裝置高度的液壓調高裝置和用于發熱部位噴霧降溫的冷卻裝置等。

1.2 采煤機作業原理

采煤機破煤的工作過程如下：在采煤機前進推力和滾筒轉動作用下，煤巖介質在截齒集中應力的作用下形成密實核，密實核隨著擠壓應力的增大而增大，直到崩落后沿工作面飛出，擠壓應力得到釋放，采煤機繼續推進再次增大擠壓應力，如此循環進行截割作業。

2 振動信號采集與煤巖識別系統方案

一般的采煤機振動信號采集和處理方案為便攜式振動傳感器和便攜式計算機相配合，便攜式振動傳感器采集采煤機的振動信號，通過便攜式計算機進行數據處理。這種方案的缺點是：①便攜式振動傳感器不能在線處理數據，而且需要配置專用供電電源；②便攜式計算機與采煤機電控系統各自獨立而不存在數據交換，無法獲取采煤機位置、截割高度等關鍵工況，導致分析振動信號時信息不全面，影響煤巖識別的準確度。

通過實際工作經驗和查閱相關文獻資料，所設計的系統應當滿足的需求有：①振動傳感器具備一定數據處理能力，能夠提高煤巖識別效率;②關聯采煤機工況，振動信號不是單獨的信息來源，需要結合采煤機工況進行綜合判斷;③提高數據處理速率和精度;④具有振動信號頻域分析和特征向量分析的基礎。本文研究的采煤機振動信號采集與煤巖識別系統結構框圖如圖1所示，按照功能不同，系統分為振動信號采集裝置和煤巖識別裝置兩部分。振動信號采集裝置的功能是采集采煤機作業時產生的振動信號，將數據通過RS-485上傳至煤巖識別裝置，且無需單獨配置供電電源就能實現長時間高精度數據采集。在安裝振動傳感器時，需要結合信號有效性和信號優化問題，根據現場采煤機安裝環境，振動傳感器一般安裝在齒輪端蓋處，安裝時需要注意敏感檢測軸的方向嚴謹性。煤巖識別裝置一方面接收振動信號采集裝置的數據，另一方面通過CAN總線獲取采煤機狀態信息，將二者數據進行綜合分析，判斷采煤機作業介質的煤巖性質。煤巖識別裝置安裝在采煤機機身中部，采集和存儲現場振動信號。

圖1 振動信號采集與煤巖識別系統結構圖

3 振動信號采集裝置

采煤機的振動信號來源比較復雜，除了滾筒截齒截割煤巖產生的振動信號，還有很多煤巖識別裝置需要濾除的背景噪聲。井下背景噪聲的來源包括截割電機振動信號、牽引電機振動信號、刮板運輸機振動信號等。

采煤機截割作業時振動加速度信號變化程度大，振動方向不確定，因此對振動信號采集裝置的性能要求高。本文設計的振動信號采集裝置原理如圖2所示，包括外置傳聲器、微型三軸振動傳感器、程控放大器、4通道24位ADC模塊、ARM Cortex-M4F高性能控制器。其中，三軸振動傳感器的作用是采集采煤機的三軸振動信號，其三軸分別是采煤機行走方向、采煤機推進方向和采煤機垂直方向，采集信號的頻率范圍為10 Hz～5 kHz，聲音信號范圍為40 dB～110 dB，在控制器內部就可完成頻譜分析等數據處理功能，與煤巖識別裝置進行各類型數據通訊，接口RS485通訊速率最大可達10.5 Mb/s，實時性好。

圖2 振動信號采集裝置原理圖

振動信號采集裝置的核心為STM32F405RGT，這款處理器數據處理速度快、精度高，對于搖臂振動信號和背景噪聲信號都能夠進行頻譜分析和預處理，然后再傳輸給煤巖識別裝置，這樣就分擔了采煤機實時調高而產生的海量數據處理任務，使得整個系統的計算能力提高。

4 煤巖識別裝置

煤巖識別裝置與振動信號采集裝置配合使用，通過與采煤機電控系統通訊獲取其運行狀態，并結合振動信號采集裝置的截割振動信號和背景噪聲信號，將二者進行綜合分析，然后對采煤機高度進行調整控制，實現采煤機智能識別煤巖的過程。

煤巖識別裝置原理如圖3所示，主要包括ARM處理器、振動信號采集裝置通訊單元、采煤機通訊單元、存儲單元、電源與接口單元等。ARM處理器采用STM32F429，同樣為ARM Cortex-M4內核。存儲單元設計了SRAM和Flash存儲器，用于存儲三軸振動傳感器的信號數據。煤巖識別裝置的軟件開發采用嵌入式軟件開發環境Keil，并采用模塊化設計思想，將軟件劃分為核心識別與自適應控制程序、數據存儲程序、振動傳感器數據通訊程序等子程序模塊。采煤機采煤過程中，由于傳感器數量多、速率快，煤巖識別系統對數據的處理和分析具有一定的延時，因此振動信號的采集和處理過程都要以效率為主，對振動信號的采集和處理需要進行算法優化。

圖3 煤巖識別裝置原理圖

5 結束語

采煤機煤巖識別技術是一種集信息采集處理技術、通訊技術和控制技術為一體的綜合智能化技術，對推進煤礦的自動化和智能化具有重要意義。以振動信號采集裝置、煤巖識別裝置及其數據通道為主體，配合采煤機電控系統形成的煤巖識別系統能夠判斷采煤機截割介質性質，使采煤機自動調高并追蹤煤巖界面，具有一定的經濟效益和安全價值。