礦用全斷面掘進機運行監測技術的研究與應用

賀艷榮

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

全斷面掘進機是一種多功能集成化掘進設備，在實現對目標截割、裝載和運輸等主要功能的同時，還具備推進、支撐防護及除塵通風能力，非常適合井下巷道的掘進作業[1-4]。而目前全斷面掘進機大多應用于非煤礦的隧道挖掘，在煤礦應用中并無相對完善的行業標準對其操作及運行進行規范，只能參考礦用懸臂式掘進機標準進行操作和管理，在實際煤礦掘進作業中，全斷面掘進機在運行穩定性及安全性方面仍存在較多問題。因此，對運行中的全斷面掘進機進行實時監測及故障預測診斷，促進其在煤礦中廣泛應用是十分重要的。

為了實現這一目標，本文對礦用全斷面掘進機運行狀態下易出現故障的重要部件及故障原因進行了詳細分析，由此確定了監測對象及故障預測診斷方案。在此基礎上，本文設計了基于傳感器采集—數據遠程傳輸—LabVIEW 上位機集控三層架構的礦用全斷面掘進機運行狀態遠程監測系統，可實現對全斷面掘進機驅動電機、傳動機構及通風設備等主要部件運行參數的實時測控。通過各運行參數對可能發生的故障進行提前預測，同時在發生故障時迅速定位并報警，實現了集狀態監測、故障預測和故障報警診斷為一體的智能化監測，對于提高全斷面掘進機工作效率及安全性具有重要意義[5-7]。

1 監測量分析及監測方案確定

全斷面掘進機的結構組成按照功能可劃分為液壓系統、支撐推進系統、刀盤驅動系統、除塵通風系統、控制系統及掘進機自帶的采集監測系統等，由于其各部件及系統結構復雜、耦合性較強，機身自帶的監測系統僅能完成部分機構參數的采集，無法判斷其運行及故障情況，因此需要進一步提高監測范圍及功能，從而滿足全斷面掘進機在井下可靠運行的要求。本系統主要監測量分析如下：

1）主驅動電機。全斷面掘進機的主電機是核心動力源，其故障原因以機械振動引起的零件磨損、螺絲松動、軸承共振及散熱不良造成的電機過熱、繞組燒毀為主，因此需對驅動電機的振動及溫度參數進行實時監測。

2）主軸承及齒輪。作為支撐刀盤的主要部件，主軸承及相關齒輪的潤滑系統極易因油溫過高、潤滑油泄露及雜質進入而發生故障，因此需要對其潤滑系統進行重點監測。

3）變速箱。全斷面掘進機變速箱內的齒輪傳動機構在長期運行中極易發生磨損及斷裂問題，僅憑人工或自帶監測系統無法及時發現故障，本文采用振動及油液成分結合監測法對變速箱運行狀態及故障情況進行可靠監測。

4）液壓推進機構。本文對液壓機構中推進油缸的位移、壓力，液壓泵的液壓閥壓力及輸出壓力，以及液壓油箱的油位、油溫進行主要監測，從而保證液壓推進機構可靠運行。

5）除塵通風設備。掘進機的除塵及通風主要依靠通風機及電機完成，電機的監測量與主驅動電機相同，風機主要需對其軸承及風扇進行監測，避免出現損壞、開裂等問題。

目前針對掘進機的監測系統可大致分為單機式、集中式、分布式及遠程分布式系統四類，在確定系統監測對象后，為了進一步提高監測實時性及精確度，本文選用遠程分布式監測系統作為監測方案，通過設置監測分站降低總系統由于監測點過多所帶來的負擔，并由監測總站對數據進行匯集，與上位機監控系統通過通信網絡進行實時交互。系統結構如下頁圖1 所示。

圖1 遠程分布式監測系統示意圖

2 監測系統設計與實現

2.1 硬件組成及設計

由監測方案及系統結構可知，系統的硬件結構可主要分為傳感采集裝置、監測分站、通信網絡及上位機監測平臺四部分，其主要工作流程為：數據采集—數據傳輸—數據分析處理—上位機分析控制及故障診斷。

2.1.1 傳感采集裝置

傳感采集裝置負責對掘進機各監測點運行數據進行實時采集，主要由各類傳感器及采集裝置組成，傳感器選用種類由監測對象及采集信號類型確定，具體選型如表1 所示。

表1 傳感器選用種類及型號

2.1.2 監測分站

監測分站主要用于采集不同監測對象的運行狀態參數及相應的傳感器信號，本文在LabVIEW 監測平臺基礎上選擇數據采集卡實現參數采集功能，因此監測分站主要由單臺計算機、數據采集卡及信號調理電路組成，其結構如圖2 所示。

圖2 監測分站硬件結構

數據采集卡的基本功能包括模擬量輸入輸出、數字I/O、定時計數器等，模擬輸入信號通過放大、采樣保持及A/D 轉換等步驟即可轉換為計算機可識別的數字信號，從而實現監測數據的實時采集上傳。本文選用NIUSB-6009 多功能DAQ 數據采集卡，其內部提供8 路模擬輸入通道、2 路模擬輸出通道、12 位數字I/O 口及1 個32 位定時計數器，可滿足本系統數據采集需求[8]。

2.1.3 通信網絡

通信網絡作為監測分站與上位機監控平臺的數據交互渠道，其信號傳輸穩定性及傳輸速率對系統性能具有重要影響。在有線及無線傳輸方式選擇上，為了保證上述兩個指標滿足系統要求，本系統采用有線光纖以太網對通信網絡進行架構，配以必要的交換機即可實現信號的高速可靠傳輸。

2.2 系統軟件設計開發

本系統采用虛擬儀器技術，通過LabVEIW 圖形化編程語言對系統軟件進行設計。系統軟件可主要分為硬件驅動程序及數據采集分析程序兩部分，其中硬件驅動程序由LabVIEW 開發環境下的NI-DAQmx 軟件自帶的驅動程序進行設置，大大減小了系統編程量，使用方便。在通過驅動程序對系統各硬件進行初始設置及測試后，即可調用DAQmx 函數及DAQ Assistant 對系統應用程序進行編寫及自動生成，應用程序包括信號采集、信號處理、數據存儲及數據分析等主要功能。系統軟件結構如圖3 所示。

圖3 監測系統軟件結構圖

3 系統運行測試

在數據采集及狀態監測功能方面，本文在系統實際測試時選取較為重要的主電機振動信號頻率值，對系統功能及可靠性進行驗證。為了更為直觀地顯示主電機振動頻率，在數據分析采集程序設計時，本文采用頻域分析法進行程序編寫，最終通過主電機振動頻譜圖獲取到主電機處于正常運行狀態下的四組振動頻率值，分別為100 Hz、200 Hz、380 Hz 和760 Hz，經計算四組頻率分別對應主電機旋轉頻率、一階頻率及變速箱的兩組嚙合頻率，與主電機出廠參數基本一致。當掘進機運行異常時，可通過新出現的異常頻率確定主電機故障的發生。

在故障診斷及控制功能方面，在實際測試中當主電機出現故障時，系統通過小波變換對含有高階干擾信號的電機頻率波形進行處理，有效提取沖擊振動信號，從而準確預測電機的故障情況。經實際測試，該系統可對全斷面掘進機運行狀態進行有效監測，并及時對故障情況進行預測診斷。

4 結語

本文在對礦用全斷面掘進機監測需求及監測量分析的基礎上，提出了基于虛擬儀器的有效監測方案，并采用遠程分布式結構對系統進行設計，有效提高了系統監測精確度及數據傳輸效率，經實際測試，該監測系統運行穩定，運行監測及故障診斷功能可靠實現，具備一定的實際價值。