礦井刮板輸送機監測及故障診斷系統設計

張慧勇

（晉能控股煤業集團鐵峰煤業有限公司南陽坡礦綜采二隊， 山西 朔州 037200）

引言

刮板輸送機作為綜采工作面的主要運輸設備，是綜采機械化設備的核心部分，其運行的穩定性將直接影響煤炭的開采效率[1-2]。刮板輸送機主要由機頭部、機尾部、傳動裝置、刮板鏈、溜槽及其他附件組成。在工作過程中，由機頭部與機尾部帶動傳動裝置轉動，刮板鏈將煤炭等物料由機頭部卸載到機尾部[3-4]。由于綜采工作面環境復雜，刮板輸送機受到的外部載荷分布不均，與物料產生摩擦磨損，部件受到載荷沖擊，大幅度削減了設備的使用壽命，導致故障頻發，限制了工作面的采煤效率[5-6]。國產刮板輸送機通常只包括控制系統，缺乏有效的故障監測裝置，導致設備故障不能及時處理[7]。因此，需要對刮板輸送機的故障進行分析，建立全面的監測機制，提高設備的機電一體化水平。

1 故障數據監測方案

1.1 刮板輸送機常見故障分析

刮板輸送機常見的故障有：刮板鏈故障、電機故障、減速器故障以及機頭與機尾故障等[8]。刮板鏈為物料的主要輸送機構，受到的沖擊載荷較大，容易發生斷鏈、飄鏈與掉鏈等故障。刮板鏈的故障多是由于運行過程中受到的載荷較大、設備疲勞損壞和安裝位置存在偏差等因素造成。電機為刮板機的動力部分，主要故障為電機無法啟動、電機溫度異常，造成故障的原因包括刮板機載荷過大、運轉時間過長、啟動頻繁與軸承損壞等。減速器作為重要的傳動部件，將高速小扭矩的旋轉轉換為低速大扭矩的轉動，故障類型主要包括潤滑油溫度過高、齒輪異響等，通常由于載荷分布不均、潤滑油受到污染等因素造成。機頭與機尾為焊接件，主要發生的故障為翹翻，原因包括金屬異物進入槽或機頭、機尾部之間、壓頂子松動、刮板輸送機鋪設不直等。

1.2 故障數據監測

系統通過傳感器設備對各部件的故障表征參數進行監測，通過將參數與故障閾值進行對比分析，可判斷出設備是否發生故障及故障類型。通過壓力傳感器與位移傳感器，對刮板鏈的拉力信號和位置偏移信號進行監測。位移傳感器安裝于中部槽對稱的兩側，當刮板鏈發生故障時，傳感器可檢測到刮板發生的縱向偏移。電機故障主要通過溫度、振動、轉速、電壓與電流傳感器，對電機的溫度、振動、轉速與電參數信號進行監測。減速器故障通過溫度、油位、振動傳感器，對減速器潤滑油的油溫與油位、軸與軸承的振動信號進行監測。機頭與機尾故障主要監測其位置參數，將位置傳感器安裝于機頭與機尾底部的兩側，當發生翹翻時，系統可檢測到位置參數的變化。

2 系統總體結構設計

刮板輸送機監測系統可分為地面部分與井下部分，如圖1 所示。地面部分由上位機遠程故障診斷系統組成。根據故障分析，井下部分設有刮板輸送機機頭監控分站與機尾監控分站，RS485 串口總線，傳感器設備等。監控分站與安裝于刮板輸送機的傳感器設備連接，負責參數的采集、存儲與傳輸等，通常將距離井下集控中心最近的監控分站設置為總站，負責整個設備參數的收集與打包，并傳輸至集控中心，同時通過以太網將數據傳輸到地面上位機，實現設備的故障診斷。

圖1 刮板輸送機監測系統總體結構設計

3 監控裝置設計

3.1 監控裝置硬件結構設計

監控裝置的硬件結構如圖2 所示，主要由傳感器部分、監控裝置內部電路和外部通信電路組成。傳感器包括壓力、溫度、振動、轉速與位移等傳感器。內部電路包括信號調理電路、最小系統、控制電路、通信電路與外設接口等電路，其中轉速傳感器由脈沖信號調理電路進行數據轉換，溫度傳感器由溫度信號調理電路進行數據轉換。外部通信電路包括裝置與集控中心的RS485 通信電路、以太網通信電路。

圖2 監控裝置硬件結構

3.2 最小系統選型設計

最小系統是監測裝置的核心部分，負責監測數據的接收與處理，由CPU 及外圍電路組成。根據系統所需的I/O 口、存儲空間、通信接口等，監測裝置CPU 選型ARM 處理器STM32103VB，處理器具有80 個I/O 口，滿足系統配置需求。外圍電路主要包括低速與高速晶振電路、JTAG 調試電路、復位電路及其他電路等。

3.3 信號調理電路

監測系統傳感器信號包括電壓、電流、脈沖與電阻等信號，需要通過信號調理電路進行隔離、放大與濾波等過程，才能被CPU 接收處理。信號調理電路包括傳輸電路、電壓、電流、脈沖與電阻的調理電路。傳輸電路采用ADG708 芯片，通過使能端控制芯片的開啟與關閉，通過控制端控制轉換通道進行切換。

電路的前端為電源隔離模塊，保證采集端接地電平與傳感器接地電平一致，提高采集信號的精確度。經過中段的穩壓電路與鉗位電路，輸出一個0～5 V 的電壓信號，經過比例電路處理，將電壓信號按比例轉換為0.6～3 V 的電壓信號，方便CPU 進行數據的采集與接收。

4 應用效果分析

在應用到現場前，需要對監測系統的功能進行測試，包括溫度信號、電壓信號等參數的采集功能。測溫傳感器為PT100 型，輸出為電阻信號，通過設置6 種不同電阻，對比理論溫度值與測試溫度值，計算出系統的最大誤差，溫度測試數據如表1 所示。由表1 的數據可知，電阻為115.31 Ω 時，出現最大誤差，最大相對誤差為2.5%。

表1 溫度測試數據

測試電壓信號采集精度時，選取6 種不同的電壓信號值，對比理論轉換值與測試值，如表2 所示，系統電壓信號的最大相對誤差為1%。

表2 電壓測試數據

通過對各信號參數采集功能的測試，由統計數據可以看出，測試相對誤差較小，可滿足系統功能要求。

5 結語

本文針對礦井刮板輸送機提出了一種故障監測系統，通過對常見故障類型進行分析，確定了系統的參數采集類型與監測方案，設計了系統監測裝置的硬件結構，并試驗測試了系統參數采集功能，證明該測試系統的參數采集精度較高，滿足系統故障診斷需求，能有效提高系統故障診斷的精確性與可靠性。