采煤机截割含夹矸煤岩振动采集系统的设计及实验测试

姬新文

（山西科兴能源发展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

采煤机为综采工作面的主要设备，由于工作面顶板煤层、岩层的特性不一致，导致采煤机截割部滚筒所面临的生产条件相对复杂，尤其在截割含夹矸煤层时，采煤机所面临的工况恶劣且所承受的载荷复杂，使得采煤机截割部滚筒所面临的振动剧烈，进而传递至采煤机机身。但是，目前针对采煤机截割含夹矸煤岩振动信号采集系统存在布线困难、灵活性差且可靠性低的问题，无法对含夹矸煤岩截割状态进行准确判断[1]。为保证采煤机在复杂工况下的安全、稳定运行，设计一套高可靠、高精度的含夹矸煤岩振动采集系统是十分有必要的。

1 截割含夹矸煤岩振动信号采集系统总体设计

本文所设计的振动信号采集系统将应用于型号为MG2×55/250-BW 双滚筒采煤机，该振动信号采集系统的核心为无线传感器网络。振动信号采集系统的总体网络架构如图1 所示，采煤机截割含夹矸煤岩时振动信号采集系统包括有振动传感节点、汇聚节点和管理节点。其中，振动传感节点主要是对采煤机截割含夹矸煤岩工况时的振动信号进行采集，对采集后的数据进行简单处理后，通过汇聚节点并基于RS232 通信协议将信号传递至终端上位机。上述操作即实现了振动信号的采集[2]。

图1 振动信号采集系统总体网络架构

无线传感器网络为上述振动信号采集系统的核心。因此，本系统采用合适的无线通信技术尤为重要。目前，可应用于工业生产中的无线通信技术包括有ZigBee、Wi-Fi、超宽带、蓝牙以及进场通信等。综合对比上述几种无线通信可知：ZigBee 通信技术功耗低、安全性高、可承载的节点数目多，入网时间仅需30 ms，通信范围使用最远可达75 m，成本最低且电池的使用寿命最长，可在868 MHz、915 MHz 和2.4 GHz 等频点实现通信。因此针对采煤机截割含夹矸煤岩时振动信号采集系统采用ZigBee 无线通信技术实现数据传输功能[3]。

2 截割含夹矸煤岩振动信号采集系统的硬件和软件设计

本节将完成截割含夹矸煤岩振动信号采集系统的硬件设计和软件设计。

2.1 振动信号采集系统硬件设计

鉴于振动信号采集系统主要用于截割含夹矸煤岩工况时采煤机整机的振动系统，其工作环境相对复杂，为满足上述使用要求，对振动信号采集系统的精度、传输距离、收发效率以及功耗等提出具体要求。

首先，该系统需满足微型化的要求，结合现场实际条件应将该系统的体积大小控制在55 mm×45 mm×40 mm；由于现场对于更换信号采集系统电源的难度较大，故要求振动信号采集系统具有低功耗的要求，并且尽量采用简单的电路降低系统的能耗；为满足工作面相对复杂的工况，要求其数据分析处理模块和通信、电源模块的安全性和稳定性满足要求；为满足振动信号采集系统后续的拓展使用要求，要求振动信号采集系统具有一定的扩展性和灵活性[4]。

结合上述振动信号采集系统的要求及其功能、性能要求，设计如下页图2 所示的振动信号采集系统硬件结构框图。

如图2 所示，振动信号采集系统主要包括有传感模块、存储模块、数据处理模块、通信模块以及电源管理模块。

图2 振动信号采集系统结构框图

2.1.1 数据处理模块设计

数据处理模块重点为对数据进行分析和处理的微处理器。综合对传感器所采集数据的分析处理能力以及低功耗的要求，本系统采用MSP430 系列的单片机数据处理模块的核心，并为其配置型号为MSP430F5438 型处理器。

2.1.2 传感模块设计

传感模块的核心为传感器，传感器的精度、环境适应能力尤为重要，其重点是对采煤机3 个正交方向上力的精准测量。本系统采用型号为ADXL345 数字型加速度传感器，该传感器的具体参数指标如表1所示。

表1 ADXL345 数字型加速度传感器主要参数指标

2.1.3 无线通信模块设计

无线通信模块为本系统信号传输效率、信号稳定程度以及传输质量的关键，综合对比当前各类无线通信技术优劣势，本系统采用ZigBee 无线通信技术实现其通信功能；同时，为了兼顾系统的低成本、低功耗的特点，基于ZigBee 无线通信技术为其配置CC2530的无线射频芯片。

2.2 振动信号采集系统软件设计

基于上述硬件设计的基础上，为保证准确、实时地对采煤机截割含夹矸煤岩时振动信号进行采集，保证所配置的振动信号采集软件可实时对振动信号数据显示、存储，保证数据传输的准确性，避免其在传输过程中出现数据丢失的情况，设计如图3 所示的振动信号采集程序流程图。

图3 振动信号采集系统程序流程图

完成振动信号采集系统的软硬件设计后，需根据采煤机截割含夹矸煤岩工况的情况完成振动信号采集系统的安装。鉴于采煤机截割含夹矸煤岩时煤岩的硬度不均匀，采煤机滚筒承受的载荷不同，如果采用直接测量方法将很难得到准确的振动参数[5]。为了保证对采煤机滚筒振动信号准确、实时地采集，将振动信号采集系统安装于如图4 所示的位置中。

图4 振动信号采集系统安装示意图

如图4 所示，将振动信号采集系统安装于采煤机摇臂的重心位置，并在系统外部封装隔爆壳，避免散落的岩石和煤炭对传感器或整个系统造成冲击。

3 振动采集系统的实验测试

为验证本文所设计振动信号采集系统的应用效果，包括是否能够适应工作面相对恶劣的生产工况，对所测得数据是否准确等进行测试。将本系统所测得的数据与基于Labview 所仿真的数据进行对比，对比结果见第272 页表2。基于所设计的振动信号采集系统所采集的数据与仿真数据的偏差在合理范围之内。同时，在实际测试过程中发现，该系统能够完全适用于复杂的综采工作面。

4 结语

采煤机为综采工作面的关键设备，尤其是在截割含夹矸煤岩时由于煤层和岩层的硬度不一，导致滚筒所承受的载荷处于动态变化状态。为了能够准确掌握采煤机截割部滚筒的工作状态，本文特设计振动信号采集系统，并将其安装于采煤机摇臂的重心处对滚筒的振动信号进行采集。通过实验测试可知，所设计的振动信号采集系统能够完全适用于综采工作面采煤机截割部滚筒振动情况的采集，而且实测数据与仿真数据的偏差在合理且允许范围之内。

表2 振动信号采集系统仿真数据与实测数据对比