基于截割振动信号的煤岩识别装置研究
2021-08-20石岗
石 岗
(山西焦煤集团 西山煤电股份有限公司 西曲矿 综采准备队，山西 古交 030200)
0 引言
随着相关技术的发展，我国的煤炭开采技术朝着自动化和智能化的方向发展。煤岩识别技术是实现采煤机滚筒自动调高的前提，在采煤机推进过程中，根据截齿应力和振动状态，结合采煤机电控系统信息，煤岩识别装置能够控制采煤机滚筒高度，有利于所开采原煤中矸石含量下降，使得工作面工作环境得到明显改善。目前市场上没有成熟的煤岩识别装置，其相关技术研究对于采煤作业具有重大意义。
1 采煤机及其作业原理
1.1 采煤机简介
电牵引双滚筒采煤机是一种广泛应用于煤矿的综合机械化采煤设备，多用于长臂工作面开采，因此又称为长臂采煤机。根据功能不同，可将电牵引双滚筒采煤机分为截割装置、牵引装置、电控装置和辅助装置等几部分。截割装置的功能是截割和装载，由电机、齿轮箱、滚筒及其调高装置组成。牵引装置的功能是牵引采煤机移动，由电机、传动装置等组成。电控装置的功能是对采煤机进行调速、保护和信息处理。辅助装置有用于调整截割装置高度的液压调高装置和用于发热部位喷雾降温的冷却装置等。
1.2 采煤机作业原理
采煤机破煤的工作过程如下：在采煤机前进推力和滚筒转动作用下，煤岩介质在截齿集中应力的作用下形成密实核，密实核随着挤压应力的增大而增大，直到崩落后沿工作面飞出，挤压应力得到释放，采煤机继续推进再次增大挤压应力，如此循环进行截割作业。
2 振动信号采集与煤岩识别系统方案
一般的采煤机振动信号采集和处理方案为便携式振动传感器和便携式计算机相配合，便携式振动传感器采集采煤机的振动信号，通过便携式计算机进行数据处理。这种方案的缺点是：①便携式振动传感器不能在线处理数据，而且需要配置专用供电电源；②便携式计算机与采煤机电控系统各自独立而不存在数据交换，无法获取采煤机位置、截割高度等关键工况，导致分析振动信号时信息不全面，影响煤岩识别的准确度。
通过实际工作经验和查阅相关文献资料，所设计的系统应当满足的需求有：①振动传感器具备一定数据处理能力，能够提高煤岩识别效率;②关联采煤机工况，振动信号不是单独的信息来源，需要结合采煤机工况进行综合判断;③提高数据处理速率和精度;④具有振动信号频域分析和特征向量分析的基础。本文研究的采煤机振动信号采集与煤岩识别系统结构框图如图1所示，按照功能不同，系统分为振动信号采集装置和煤岩识别装置两部分。振动信号采集装置的功能是采集采煤机作业时产生的振动信号，将数据通过RS-485上传至煤岩识别装置，且无需单独配置供电电源就能实现长时间高精度数据采集。在安装振动传感器时，需要结合信号有效性和信号优化问题，根据现场采煤机安装环境，振动传感器一般安装在齿轮端盖处，安装时需要注意敏感检测轴的方向严谨性。煤岩识别装置一方面接收振动信号采集装置的数据，另一方面通过CAN总线获取采煤机状态信息，将二者数据进行综合分析，判断采煤机作业介质的煤岩性质。煤岩识别装置安装在采煤机机身中部，采集和存储现场振动信号。
图1 振动信号采集与煤岩识别系统结构图
3 振动信号采集装置
采煤机的振动信号来源比较复杂，除了滚筒截齿截割煤岩产生的振动信号，还有很多煤岩识别装置需要滤除的背景噪声。井下背景噪声的来源包括截割电机振动信号、牵引电机振动信号、刮板运输机振动信号等。
采煤机截割作业时振动加速度信号变化程度大，振动方向不确定，因此对振动信号采集装置的性能要求高。本文设计的振动信号采集装置原理如图2所示，包括外置传声器、微型三轴振动传感器、程控放大器、4通道24位ADC模块、ARM Cortex-M4F高性能控制器。其中，三轴振动传感器的作用是采集采煤机的三轴振动信号，其三轴分别是采煤机行走方向、采煤机推进方向和采煤机垂直方向，采集信号的频率范围为10 Hz～5 kHz，声音信号范围为40 dB～110 dB，在控制器内部就可完成频谱分析等数据处理功能，与煤岩识别装置进行各类型数据通讯，接口RS485通讯速率最大可达10.5 Mb/s，实时性好。
图2 振动信号采集装置原理图
振动信号采集装置的核心为STM32F405RGT，这款处理器数据处理速度快、精度高，对于摇臂振动信号和背景噪声信号都能够进行频谱分析和预处理，然后再传输给煤岩识别装置，这样就分担了采煤机实时调高而产生的海量数据处理任务，使得整个系统的计算能力提高。
4 煤岩识别装置
煤岩识别装置与振动信号采集装置配合使用，通过与采煤机电控系统通讯获取其运行状态，并结合振动信号采集装置的截割振动信号和背景噪声信号，将二者进行综合分析，然后对采煤机高度进行调整控制，实现采煤机智能识别煤岩的过程。
煤岩识别装置原理如图3所示，主要包括ARM处理器、振动信号采集装置通讯单元、采煤机通讯单元、存储单元、电源与接口单元等。ARM处理器采用STM32F429，同样为ARM Cortex-M4内核。存储单元设计了SRAM和Flash存储器，用于存储三轴振动传感器的信号数据。煤岩识别装置的软件开发采用嵌入式软件开发环境Keil，并采用模块化设计思想，将软件划分为核心识别与自适应控制程序、数据存储程序、振动传感器数据通讯程序等子程序模块。采煤机采煤过程中，由于传感器数量多、速率快，煤岩识别系统对数据的处理和分析具有一定的延时，因此振动信号的采集和处理过程都要以效率为主，对振动信号的采集和处理需要进行算法优化。
图3 煤岩识别装置原理图
5 结束语
采煤机煤岩识别技术是一种集信息采集处理技术、通讯技术和控制技术为一体的综合智能化技术，对推进煤矿的自动化和智能化具有重要意义。以振动信号采集装置、煤岩识别装置及其数据通道为主体，配合采煤机电控系统形成的煤岩识别系统能够判断采煤机截割介质性质，使采煤机自动调高并追踪煤岩界面，具有一定的经济效益和安全价值。
