采煤機截割含矸煤工況的振動信號采集

高永亮

（晉中職業技術學院， 山西 晉中 030600）

引言

在實際生產中，由于工作面煤層、巖層條件不同導致采煤機滾筒與煤層或者巖層接觸截割生產時其所承受的載荷處于動態變化狀態，并通過搖臂傳遞至采煤機的全身，從而造成采煤機的振動。實踐表明，采煤機在截割含矸煤層或者巖層時其所承受到的振動更加劇烈，滾筒截齒的磨損加劇，從而導致截割效率下降，進而影響整機的采煤效率。同時，準確、實時掌握采煤機截割含矸煤層或巖層時的振動信號，為實現采煤機智能化、高自動化以及無人化生產奠定扎實的基礎[1]。本文重點對采煤機截割含矸煤層或巖層的振動系統進行采集，設計一款準確、可靠的系統。

1 振動信號采集系統總體設計

實現對采煤機截割含矸煤層或巖層時滾筒振動信號采集的核心為對振動參數的準確獲取，并通過有效的傳輸路徑上傳至上位機。鑒于綜采工作面生產環境非常惡劣且設備類型、數量繁多，采用有線傳輸方式存在布線困難、靈活性差以及風險高的問題[2]。因此，本文將基于傳感器和無線傳輸為核心實現對含矸煤層或巖層振動系統的實時、準確采集。

采煤機振動信號采集系統的整體框架如圖1 所示。

圖1 采煤機振動信號采集系統整體框架

如圖1 所示，振動信號采集系統總體包括振動傳感節點、網絡節點和管理節點。其中，振動傳感節點的核心為在采煤機滾筒上合理布置傳感器，對振動信號進行采集，將所采集的數據進行處理后通過網絡節點完成數據信號的傳輸，最終實現現場振動信號至終端上位機的采集與傳輸。

振動信號采集系統的核心在于保證現場所采集到滾筒的振動信息準確、保真，并實時地在惡劣的環境下傳輸至上位機。因此，采用可靠的通信技術尤為重要。鑒于有線傳輸的靈活性差、布線困難的問題，本方案采用無線通信方式保證功能的實現。目前，可采用的無線通信技術包括有ZigBee、Wi-Fi、超寬帶、藍牙以及NFC 等[3]。

綜合對比上述各種通信技術的優劣勢，最終選擇ZigBee 通信技術實現其無線通信功能。ZigBee 通信方式具有工作頻率廣泛、功耗低、安全性高、可承載節點數目高達6 400 個、入網時間可減小至30 ms、通信范圍最大可擴大至75 m、電池壽命最長可達一個月等優勢，同時ZigBee 通信技術目前主要應用于監測和控制系統中。

2 振動信號采集系統的具體設計

本小節具體從振動信號采集系統的硬件和軟件兩個方面完成該系統的具體設計。具體闡述如下：

2.1 硬件設計

振動信號采集系統的核心硬件包括數據處理器模塊、無線通信模塊以及終端節點應用層等。本文重點對其中的關鍵硬件進行設計。

為保證所設計的振動信號采集系統能夠適應復雜綜采工作面的生產需要，對振動信號采集系統的精度、傳輸距離、使用頻段等方面提出具體要求，具體應實現振動信號采集系統的微型化、低功耗、高性價比、高可靠性以及靈活性[4]。振動終端節點硬件以傳感器為主，其對應節點結構如下頁圖2 所示。

圖2 傳感器節點組成

如圖2 所示，傳感器節點的核心為對數據處理模塊和傳感器的選型。

1）對于數據處理模塊而言，可選擇的處理類型包括AVR 系列處理器、MSP430 系列單片機和DSP 微處理器。綜合對比上述三類處理器的體積、集成度、功耗以及運行速度，本方案最終選擇MSP430 系列單片機的MSP430F5438 為核心處理器。

2）對于傳感器而言，主要是對振動信號進行收集。目前，匹配性最強的振動信號采集傳感器為ADXL345 的數字型加速度傳感器。該型傳感器能夠對采煤機滾筒在X、Y 以及Z 三個方向的振動數據信息進行采集；而且該類型傳感器的抗沖擊能力、體積大小和使用溫度濕度均滿足使用要求。

2.2 軟件設計

振動型號采集系統的核心在于通過ZigBee 網絡協調器并采用RS232 通信協議將現場所采集到的振動信號傳輸至上位機進行顯示和存儲，并為整個機的智能化、無人化運行提供支撐，其對應的程序流程如圖3 所示。系統獲得數據采集信號后開始對滾筒X、Y以及Z 三個方向的振動信號進行采集并進行傳輸；同時，系統還可對歷時數據進行查詢。本系統將采用Labview 軟件根據控制需求對軟件進行編制。

圖3 振動信號采集系統程序流程圖

2.3 防爆設計

為了保證所設計的振動信號采集系統能夠在綜采工作面充分發揮其功能，要求該系統具備一定的防爆功能[5]。

1）振動信號采集系統的外殼需采用厚鋼板的Q235作為隔爆外殼材質，其強度、硬度、韌性以及焊接性均能滿足綜采工作面的使用要求。

2）綜合對比不同形狀容器的抗爆炸壓力和加工工藝，雖然采用圓球形體的抗爆炸壓力可達0.71 MPa，但是從制造加工工藝方面分析其難度較大。因此，退而求其次采用圓筒形體結構設計系統殼體，且通過理論計算殼體的厚度應大于4.31 mm。

3）在實際測量過程中采用直接方式很難準確測得切削載荷。因此，將振動信號采集系統安裝于采煤機搖臂的重心位置；同時，在該位置還能夠有效避免煤矸石對終端節點和傳感器造成沖擊。

綜上，最終確定采用厚度為5 mm 的Q235 鋼制造成圓筒形體的殼體裝載振動信號采集系統，并將其安裝于采煤機搖臂的重心位置。同時，為時刻保持信號的準確性，應定期對振動系統采集系統進行檢查，主要檢查殼體是否變形、零件是否合格以及橡膠封圈質量是否滿足國家標準要求等方面。

3 結語

采煤機作為綜采工作面的主要設備，其主要承擔對煤層的截割和落煤任務。在實際生產中，由于煤層或巖層條件的不一致，其滾筒所承受的載荷處于動態變化狀態，并通過搖臂傳遞至采煤機全身。為了保證采煤機能夠實時根據煤層或巖層條件的變化對截割參數和牽引參數進行自動化、智能化控制，需準確掌握采煤機的振動參數。本文重點基于MSP430F5438和ADXL345 的數字型加速度傳感器為硬件核心設計采煤機截割含矸煤層或巖層的振動信號采集系統，并根據綜采工作面的防爆要求設計了厚度為5 mm 的Q235 鋼制造成圓筒形體的殼體裝載振動信號采集系統，并將其安裝于采煤機搖臂的重心位置，以實現對采煤機含矸煤工況振動信號的實時、準確采集。