采煤机摇臂运行状态监测系统的应用研究

康国俊

（西山煤电集团公司铁路公司，山西 太原030053）

随着科学技术的不断发展，以采煤机为代表的大型自动化综采设备已经广泛应用在煤矿井下综采作业过程中，极大的提升了煤炭的综采效率。采煤机在综采作业过程中主要依靠摇臂角度的调整来满足不同高度下的截割作业需求，在工作过程中摇臂需要承受截割作业时的截割冲击等，导致摇臂工作稳定性差，一旦出现故障就需要停机由维修人员进行故障查找和排除，效率极低，严重影响了煤矿井下的综采作业效率。在对采煤机摇臂故障进行统计分析的基础上，本文提出了一种新的采煤机摇臂运行状态监测系统，其采用了智能监控的理论，通过对采煤机摇臂运行状态和理论状态进行对比，判断出差异点，在报警的同时能够对故障位置和初步原因进行分析，帮助维修人员实行快速定位，根据实际应用表明该摇臂运行状态监测系统能够快速准确的实现故障定位，使采煤机停机维护时间降低了74.3%以上，平均故障排除时间降低了86.4%，对提升采煤机的运行稳定性和使用寿命具有十分重要的意义。

1 采煤机摇臂运行状态监测系统

根据对采煤机摇臂运行故障的分析，目前采煤机摇臂的故障主要包括三种形式。第一种是采煤机摇臂内部的齿轮、轴承、行星架等传动机构在冲击、重载运行时的过渡磨损失效或者断裂失效。第二种是摇臂油箱或者液压机构处的漏液现象，若不及时处理将导致齿轮磨损加剧，严重影响摇臂使用寿命和稳定性。第三种是采煤机运行过程中由于操作不当导致的截齿断裂、传动系统过热等故障。

针对采煤机常见的故障类型，在进行摇臂运行状态监测系统设计时要求系统能够对采煤机摇臂运行时的油液温度、压力和摇臂运行时的振动情况进行实时监测，当监测结果超出系统设定的安全范围时开启声光报警并自动指示故障位置、提供初步的故障原因提示，便于工作人员能够在第一时间确定故障具体原因并进行修复[1]。

结合采煤机摇臂运行状态监测需求和采煤机的实际运行要求，新的采煤机摇臂运行状态监测系统采用了集控时的监控结构，如图1所示[2]。

图1 采煤机摇臂运行状态监测系统结构示意图

由图1可知，该摇臂状态监测系统以PLC为监测系统为核心，同时在系统内还设置有稳压电源模块和显示屏，便于保证在紧急状态下的工作稳定性。该监测系统主要是对采煤机运行时各液压腔内的油液的温度、摇臂工作时传动系统的振动情况以及摇臂工作时的范围角进行监测。对摇臂油液温度和振动情况的监测主要是通过温度和振动传感器，对采煤机摇臂工作范围角的监测是通过在采煤机的摇臂上设置角度传感器来进行判断。该监测系统具有结构简单、监测稳定性好、可靠性高的优点，能够实现对采煤机摇臂工作时核心参数的智能监控和报警。

2 传感器设备选型及工作原理

传感器是该监测系统的核心，其工作的稳定性和精度直接决定了摇臂监测系统的工作可靠性，因此对传感器设备具有很高的工作稳定性要求。由于在整个监测系统中监测点位多，因此为了考虑系统成本，采用了多路模拟信号同步通道切换的数据传输方案，对多监测点的数据信号同步解析，然后按优先等级进行模拟输出，确保了数据传输的精确性和经济性。

对采煤机摇臂工作温度的监控主要是传动齿轮箱温度、轴承稳定、摇臂转动处稳定、行星头温度等，为了保证温度判别效果的一致性，要求采用同类型的传感器。经过对多种类别传感器的验证，最终决定选用K型热电偶，其采用了双材质导体能够满足在空气、油液内的监测精度需求，同时为了确保不同导体下温度监测的准确性，该热电偶采用了温度补偿控制逻辑，根据实际监测温度和补偿温度来确定最终的实际温度，监测精度可达4.3 mV/100℃，具有监测精度高、灵敏性好的优点，其监测原理如图2所示[3]。

图2 K型热电偶监测原理示意图

对采煤机摇臂振动状态的监测，既要满足对微小振动的监测需求又要能够准确区分在冲击载荷下的正常振动，因此针对异常振动会发出规律且连续振动的信号而冲击载荷在的振动会迅速衰减的情况，提出了采用CT-SD-01型压电式传感器[4]，在工作时首先从振动源处接收到振动量，然后通过压电元件将振动量转换为电量，通过放大电路的处理后经积分电路和变送电路的分级处理，最终转换为电流信号输出。振动传感器的振动信号采集原理如图3所示。

3 采煤机摇臂监测系统应用效果

目前该采煤机摇臂运行监测系统已经在多个煤矿进行了应用，监测系统的监控画面如图4所示。

图3 振动传感器工作原理示意图

图4 采煤摇臂监测系统界面示意图

通过对该摇臂监测系统应用以来采煤机工作状态的分析，该系统能够精确的对摇臂运行过程中的关键参数进行监控，一旦超出设定值能够及时进行声光报警，提醒工作人员提前对异常点进行排查，避免了因异常导致停机后才对故障进行排查而影响井下综采效率。根据实际应用表明该摇臂运行状态监测系统能够快速准确的实现故障定位，使采煤机停机维护时间降低了74.3%以上，平均故障排除时间降低了86.4%，对提升采煤机的运行稳定性和使用寿命具有十分重要的意义。

4 结论

针对目前采煤机摇臂在高强度工作条件下容易出现故障、人工排查效率低，严重影响井下综采作业稳定性的情况。提出了一种采煤机摇臂运行状态监测系统，利用传感器设备对运行时的状态进行实时监测，根据实际应用表明：

1）采煤机摇臂状态监测系统以PLC为监测系统为核心，具有结构简单、监测稳定性好、可靠性高的优点，能够实现对采煤机摇臂工作时核心参数的智能监控和报警。

2）传感器选型应满足高可靠性和高精度监测需求，用了多路模拟信号同步通道切换的数据传输方案，对多监测点的数据信号同步解析，然后按优先等级进行模拟输出，确保了数据传输的精确性和经济性。

3）臂运行状态监测系统能够快速准确的实现故障定位，使采煤机停机维护时间降低了74.3%以上，平均故障排除时间降低了86.4%，对提升采煤机的运行稳定性和使用寿命具有十分重要的意义。