防爆无轨胶轮车安全保护系统研究

甄宝柱

中国煤炭科工集团太原研究院 山西 太原 030006

1 防爆无轨胶轮车安全性的影响因素

（1）气体浓度。煤矿中存在的气体主要是甲烷，存在瓦斯爆炸和窒息的危险。当瓦斯浓度超过极值，与氧气混合时，会发生爆炸，造成严重的矿井事故。需要监测气体浓度，当气体浓度超过1%时发出报警信号。

（2）柴油机排气温度。无轨胶轮车在爆炸性气体环境中工作。如果柴油机的高温废气和运行中产生的火花与爆炸性气体接触，会引起爆炸。未经处理的尾气温度在650℃左右，可以完全点燃气体。尾气由冷却水箱冷却。如果损坏或冷却失败，尾气温度会升高。有必要实时监控尾气的温度。

（3）柴油机机体温度。柴油机表面会接触到爆炸性气体，高温是造成安全事故的必要条件。有必要监测发动机缸体的温度，以确保发动机缸体的温度不超过150℃。

（3）冷却水温度。冷却水在降低柴油机机体温度方面起着重要作用。如果温度太高，就达不到降温效果。有必要监控冷却温度，以确保温度范围在0℃和95℃之间。如果温度超过上限，将发出报警信号，冷却水将停止休息或更换。

（4）尾气中的有害气体。柴油发动机运行产生的废气含有一氧化碳和氮氧化物。如果气体浓度过高，会对人体造成伤害。需要监测尾体浓度（一氧化碳0.1%，氮氧化物0.08%）。如果检测到有害气体超过上限，必须停机进行维护。废气排放达标后，再进行操作。

（5）油压。胶轮车的机油可以润滑柴油机的正常运转，因此有必要对机油压力进行监测。如果油压过低，会因缺乏有效润滑而损坏部件，超过规定压力后需要停机维修。

（6）净化水箱液位。如果冷却净化水位低于下限值，冷却效果会丧失，尾气中的火花不会熄灭，温度达不到设计要求，达不到有害气体净化效果。净化水箱的水位需要检测，当低于下限时，需要停机补充净化水。

（7）速度。受煤矿巷道条件的限制，防爆胶轮车应限制在30公里/小时，以避免高速行驶造成事故[1]。

2 无轨胶轮车运输优势分析

在现代矿山开采中，防爆无轨胶轮车是重要的运输方式之一。根据功能、用途和动力装置的不同，可分为轻料车、重料车和运人车。作为井下危险环境下的辅助运输车辆，它具有一定的运输优势，具体表现在：①无轨胶轮车灵活，运输效率高，爬坡能力强，可将需要运输的物料直接运输到井底或地面，节省物料转运时间和人力。②不需要铺设运输巷道的轨道和硬化巷道的底板。对于巷道底鼓问题，人工及时修复不会影响正常运输。同时不需要在巷道内设置架线、绞车等相关辅助设施，扩大了巷道空间。③煤矿用支架可以用胶轮车整体运输和安装，省去了拆卸和安装环节，提高了工作效率，降低了工人的劳动强度。

3 安全保护系统的硬件设计

（1）硬件架构。硬件系统由传感器、S3C2440A模块和响应模块组成。传感器将采集到的气体浓度、柴油机机体温度、油压、一氧化碳浓度、氮氧化物浓度、净化水位和转速信号转换到处理器，并在人机界面上显示胶轮车的运行信息。处理器对采集的信号进行分析，控制柴油机的启动和转速，并发出声光报警信号。为了分析胶轮车的运行状态，需要配置记忆模块，为后续的车辆故障处理和维护提供便利。通信模块是在处理器和上位机之间交换数据。

（2）处理器和安全防护系统采用S3C2400A芯片，是一款带指令集的32位处理器。指令缓存和数据缓存分别为16 kB。核心采用1.25 V供电，外部I/O接口为3.3 V，芯片具有良好的抗电磁干扰能力，能够在恶劣环境下稳定运行，满足胶轮车安全防护系统的设计要求。处理器还具有模数转换功能，可以减少外围电路设计的工作量，降低芯片购买成本，缩短开发周期。

（3）最小系统电路。安全保护系统的运行需要时钟信号。根据S3C2440A芯片数据和PLL电路中要求的工作频率，系统需要配置一个12 MHz的无源晶振。片内倍频整形后可以形成533 MHz的工作频率，可以保证CPU正常工作，为USB接口提供48 MHz的频率。芯片锁相环电路可以放大频率，并具有信号净化功能，可以在较低的外部时钟信号的情况下获得较高的工作频率，非常有利于降低高频噪声干扰。

（4）数据采集电路。排气温度和冷却水温度可由DS18B20传感器采集。采集的温度信号通过数字量串行发送到S3C2440A芯片，C语言编程要严格遵循时序要求。LM35H传感器用于检测柴油机机身温度，温度范围可达-55℃～+150℃。可以达到℃的准确率，电源电压DC4～30 V，可以单电源供电，也可以双电源供电。输出信号连接到处理器的模数转换输入输出端口。MQ-7传感器用于一氧化碳浓度检测，气体传感器为二氧化锡，会随着一氧化碳浓度成比例增加。检测范围可达10～1 000 ppm，电源电压为DC5V，但柴油机排放的废气成分较多，会干扰一氧化碳的检测，因此需要选择具有过滤功能的传感器。氧化氮气体的检测对象是一氧化氮和二氧化氮。选用4NO-2000和4NO2-2000两种传感器，输出0～1.44 A的电流信号，气体检测范围为0～1 000 ppm，需要通过运算放大器调节电极C端和R端的电位。W端的运算放大器与处理器的模数转换接口相连。气体浓度检测选用LMJC4/3.0传感器。电源电压为DC3伏，量程可达0～40 000×10-6。传输电压会随着气体浓度的增加而增加。检测1%气体浓度时，输出电压为20 mV，处理器的模数转换接口电压为0～3.3 V，因此输出信号需要放大到100倍。

总之，通过控制程序。现场应用表明，防爆无轨胶轮车安全保护系统具有快速上电自检功能，能够准确处理传感器信号，检测各种参数是否在安全范围内运行。当出现异常情况时，会启动报警程序，10秒内没有检测到工作人员的操作，系统会自动熄灭柴油机，响应速度快，能够满足使用要求。