大型现代化矿井采煤机状态信息采集方法研究

【摘 要】采煤机状态信息包括电机工作参数信息、油缸载荷信息、振动特性信息及姿态信息，这些信息作为数据获取的对象会直接影响到获取方法的采用和仪器的研制，本文在分析煤矿井下综采工作面采煤机状态信息和数据来源的基础上提出需要获取的数据以及相应的数据获取方法。

【关键词】煤矿机电；综采设备；自动控制；信息采集；动态控制；复杂环境；状态突变

0 引言

综采装备在深部地下复杂地质条件下作业，一方面需要对环境、状态突变进行及时监测，另一方面还要对采掘装备进行适应性的调控，这在瓦斯、粉尘、强振、高湿环境中极为困难。由于缺少难以获取采掘装备作业过程中的煤岩界面识别、机器姿态、作业工况等信息，无法实现采掘装备的闭环自动控制，只能靠人工感觉和操控，既存在操控可靠性无保障、采掘适应性差的问题又使工人身处伤亡危险境地，这是实现采掘工作面少人无人化急需攻克的难题。

1 截割电机信息采集方法

1.1 截割电机电流信息采集

采煤机截割部使用隔爆型三相异步电动机，采煤机截割动作作用于煤岩，其由滚筒所承受的机械负载以阻转矩的形式传递至电动机的输出轴上，电动机负载运行，随负载的加大转速降低，转子电流增加，通过磁的耦合定子电流也要加大，此时电流信号的变化能够反映负载变化。因此有截割部电机电流与滚筒转矩的关系如下式所示。

I=f（M）

式中：I为截割部异步电机电流；M为滚筒转矩。

选择合适传感器测量截割部的三相异步电机需要传感器满足：（a）灵敏度；（b）精确度；（c）可靠性等要求。

电流互感器（Current transformer简称CT）是依据电磁感应原理工作的电流检测装置。电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。

1.2 截割电机电压信息采集

同样采集作为采煤机截割部使用隔爆型三相异步电动机的供电电压需要电压传感器，电压传感器分为直流电压传感器和交流电压传感器。直流电压传感器是指将被测直流电压隔离转换成按线性比例输出的标准直流电压或直流电流的装置。

电压传感器采集截割电机供电电压，截割部三相异步电动机的电流变化在一定程度上反映采煤机滚筒承受不同载荷的变化，但因为供电电压的扰动，紧靠电流的变化不能精确反映载荷的变化，因此通过监测电流和电压的变化，确定截割电机功率作为反映载荷的重要信息。

1.3 截割电机绕组温度信息采集

通常电机因为自身材料磨损、电磁能量损失及电阻线能耗等原因引起正常的发热，但电动机因为载荷突变或长时间处于饱和使用情况会出现过热，通过监测电机绕组温度间接反映滚筒载荷情况，通常使用温度传感器感知电机温度并转化为模拟信号，最终经过数模转换成为可存储的数值。

温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。在截割电机绕组安装温度传感器，时刻监测电机绕组温度，采煤机通过PLC控制单元采集截割电机的温度信号，并最终经过通信连接传递至采煤机黑匣子记录并长时间存储。

2 牵引电机信息采集方法

电牵引采煤机以其性能参数优良、可靠性高、自动化程度高、操作方便、控制灵敏、监控保护及检测功能完善和经济效益好等众多优点在国际上被迅速推广使用。如美国JOY公司的LS系列，英国Long-Airdox公司的Anderson Electra、AndersonEL系列，德国的Eickhoff公司的EDW、SL系列，日本三井三池制作所得MCLE-DR系列等电牵引采煤机。

根据采煤机牵引（行走）部的电动机性能，通过安装电流互感器、电压互感器和温度传感器采集牵引电机的电流、电压及温度信息，因其基本采集方法同截割电机信息采集方法一致，这里不再赘述。

3 摇臂油缸信息采集方法

作为采煤机截割行为的载荷信号，采煤机摇臂升降油缸的压力信号是反映摇臂承受载荷变化的重要信息。通过油缸压力传感器测量摇臂升降油缸的油液压力，反映滚筒承受载荷情况，

当压力信号作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4-20mA标准电流输出信号。油缸压力变送器应用在需要严格控制安装空间的场合，如采煤机、掘进机等工程机械等油缸油压测量。

4 摇臂振动信息采集方法

采煤机摇臂处振动信号中蕴藏了大量的信息，因此通过拾取采煤机摇臂截割电机一轴附近振动加速度信号，分析在多级齿轮减速过程中各级齿轮啮合频率和轴的转频，提取特征频率，确定采煤机截割部齿轮传动正常状态下的信号特征，从而能够准确识别齿轮啮合和轴转动中截割煤岩不同介质时的振动特征。

矿用本安型振动加速度传感器是以现有振动加速度传感器为基础，按照本安设计的要求对传感器转换信号的传输、调理和传感器的防护、供电以及接口等重新设计，使其达到现行国家标准、行业标准和矿山安全有关规定的要求，进而申请国家煤矿产品安全标志证书，从而可以直接应用于煤矿井下。

其本安设计共可分为以下几部分：振动加速度传感器选型设计、信号传输设计、振动信号调理板设计、防护外壳和接口设计。

5 采煤机位姿信息采集方法

5.1 油缸的位移传感器

油缸位移传感器基于线性差动变压器（Linear Variable Differential Transformer）原理，将电子变送器与传感测量单元封装在一个不锈钢管并装入油缸内部，随着油缸的伸缩直接输出标准的电压或电流信号，通过此传感器可以测得油缸的伸缩量。

采煤机摇臂升降驱动油缸有两种形式，即唯一升降油缸和伸缩搭配油缸。根据采煤机滚筒位置的运动学分析，借助油缸位移传感器的数值，可以计算出摇臂升降位置及滚筒截割高度。

5.2 摇臂倾角传感器

倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。

根据需要测量几个方向的倾角，如果是一个就用单轴的，如果是两个方向的（俯仰和横滚）就选用双轴的。可以调节输出频率，内置零位调整，使用完毕后可以重新回归零位。将传感器固定在一定的平面，测量前使用零位按钮实现清零功能，传感器在此之后读出来的数据就是相对于该平面的相对倾角。

5.3 旋转编码器

采煤机牵引速度一般是可以进行无级调节的，安装在牵引电机输出轴上的旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

5.4 采煤机工作面位置

综采工作面中，液压支架群组配套采煤机，通过红外检测仪或其他仪器确定采煤机行走至液压支架相对架位，即可确定采煤机在整个工作面的位置信息。

6 结束语

总之，采煤机状态信息采集的首要问题是明确获取对象以及设备运行环境，并合理描述设备运行状态，从而确定数据获取的方法和数据的类型、精度等要求，同时确定数据的存储形式。

【参考文献】

[1]周玉龙.浅议煤矿综掘和综采工作面自动化技术发展趋势[J].科技创业家，2012（15）：120-122.

[2]武绪仁.对煤矿安全生产自动检测系统的探析[J].机电信息，2010（12）：198.

[3]伍小杰，程尧，崔建民，等.液压支架电液控制系统设计[J].煤炭科学技术，2011（04）.

[4]丛子月，王磊.综采工作面自动化集成监测系统研究[J].煤矿机械，2011（11）.

[5]梁义维.采煤机智能调高控制理论与技术[D].太原理工大学，2005.