摘要：在煤矿综采作业中，采煤机是最关键的设备。只有实现采煤机的智能化，才能实现综采作业智能化。智能化要求采煤机可以根据煤层条件和自身状态实现自动调整。在采煤机智能技术中，智能控制和状态感知是核心技术。当前，国内综采智能化主要是对采煤机的定位技术和记忆截割技术进行研究。目前国内虽然已经有部分带记忆截割功能的采煤机，但是由于技术不成熟，问题颇多，需要进一步研究。
关键词：煤矿综采；工作面；智能化采煤机
中图分类号：TD512 文献标识码;A
1 采煤机状态感知技术
1.1 采煤机定位技术
采煤机按照刮板输送机的导轨走向确定行走轨迹，对液压支架的自动调直有直接影响，也对作业面煤壁的截割笔直程度有决定作用，同时也为截割滚筒自动调高提供参考。所以，在采煤机综采作业智能化中，地质空间三维定位是核心技术。当前，主要运用无限传感网定位、红外线定位、地理信息系统定位以及超声波定位等作为采煤机定位原理。本文主要是基于地理信息系统定位进行研究。基于地理信息系统（GIS）对采煤机进行定位定姿的技术原理如图 1 所示。通过在采煤机上安装惯性导航装置，实现对采煤机姿态和行走方位的确定；通过在机身铰接轴和摇臂上安装轴编码器，对摇臂的旋转角度进行测量；通过在采煤机行走部位安装轴编码器，对其行走速度和距离进行测量。
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1.2煤岩界面感知
自然成藏的煤层边界一般都是不规则的，底板岩石上升、顶板岩石下陷以及煤层夹岩石情况非常普遍，如果不能做到煤岩界面自动识别，就无法真正实现无人化综采。当今世界上主要的煤岩界面识别技术有雷达探测、r 射线探测、激光探测等。最近几年，多参数协同感知法在综采作业中运用比较广泛，效果也比较理想。这种方法主要检测的状态参数有采煤机的摇臂震动、滚筒转矩、驱动电流、支撑油缸压力以及截割噪声等，通过径向基函数神经网络（RBF）将多个传感器的检测结果融合到一起，最终对煤岩进行准确的识别。
2采煤机数字化系统和实现
采煤机数字化的过程包括数据采集、数据分析处理、数据可视化、数字化控制、数字化通讯等环节。采煤机上的所有控制功能都是建立在对数据采集的基础上，因此数据采集非常重要，图 2是采煤机配置的典型传感器。电控系统中配置的主要保护功能有: 三相负荷预警及保护、温度预警及保护、漏电检测及保护、截割恒功率控制功能等; 其它的检测功能有瓦斯检测、摇臂倾角检测、机身倾角检测、采煤机的位置检测、水流量检测、油压油温检测、运行数据存储、参数设置、运行状态参数实时显示等。数字化系统包括采煤机模型数字化、运行环境监测数字化、运行状态监测数字化、电机管理与控制数字化、位姿监测数字化等五个部分，如图 3 所示。
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图 2 采煤机典型的传感器配置
图 3 采煤机数字化系统
2.1采煤机模型数字化
采煤机模型数字化是指将采煤机的零部件进行数字化处理，建立采煤机数字化模型。采煤机数字化模型能够反映采煤机的外形尺寸，各个零部件的连接关系，减速机构的传动关系等。采煤机数字化模型是后继实现监测数据可视化、远程虚拟操控、防碰撞检测的基础。
2.2 采煤机运行环境监测数字化
采煤机运行环境包括采煤机外部环境和内部环境，其中外部环境指综采工作面瓦斯、通风和人员定位状况等，内部环境指电控箱温度、湿度，冷却及喷雾水流量和压力，液压油温和油位，液压系统压力等。外部环境反映采煤机所处的工作环境情况，直接决定是否具备采煤机运行条件，而内部环境表征采煤机各构成部分的运行健康状态，决定能否安全高效采煤。电控箱温湿度监测是在电控箱内布置温湿度传感器，实时采集电控箱内部温度、湿度信息并在人机界面提示，控制系统根据设定的保护阈值，执行降容运行、预警提示、保护停机等相应的控制指令; 采煤机在冷却和喷雾水路中安装了水流量传感器，采集各路水流量信息; 油温、油位传感器安装在采煤机泵箱中，进行油温、油位检测并执行相应的保护; 油路上安装压力传感器，监测液压系统压力; 采煤机外部安装有瓦斯传感器，其将瓦斯浓度信息，转换为电流、电压、频率等模拟量信号，经系统软件处理，当瓦斯浓度超过 1% 时，系统预警，超过 1. 5% 采煤机主动断电。
2. 3 运行状态监测数字化
运行状态监测数字化是对采煤机空载或负载运行时各个部件的运行情况进行监测，安装在采煤机部件上的各个传感器采集采煤机运行数据，通过检 测 数 据 反 映 采 煤 机 运 行 状 态。如 图 4所示。( 1) 在摇臂和牵引部安装温度传感器，通常是 PT100，实时采集摇臂和牵引部主要位置的温度。( 2) 通过振动传感器，采集传动系统关键部位振动信号，利用振动测试与诊断技术通过对振动信号的分析，识别和预测设备的机械故障。此方法能够诊断机械传动不平衡、不对中、扭振和轴承异常等机械故障，对电机定子铁心或绕组线圈松动、气隙偏心、转子断条和端环开裂等故障的诊断也比较有效。结合温度、振动数据分析摇臂和牵引部的运行状况，对采煤机截割部和牵引部健康状况可以进行评估和预警。
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2.4 电机管理与控制数字化
目前长臂滚筒采煤机上的电机均采用横向布置，其中包括两个截割电机，两个牵引电机，一个( 或两个) 泵电机，一个破碎电机。对单个电机来说，采用电流传感器监测电机的三相电流，控制器对电流数据进行分析，可得到电机的过载、缺相、三相不平衡等信息。由此得到电机负载，就可以实现牵引自适应调速控制。具体实施中，当电机负载大于额定负载的 1. 3 倍，采煤机牵引部电机自动调速，采煤机减速以降低截割电机负载; 当电机负载小于额定负载的 0. 9 倍时，采煤机加速以增加截割电机负载，从而使采煤机达到最佳工作效率并对电机及传动系统起到保护作用。电机定子绕组中布置 PT100，通过热电阻数据采集器，将电机温度值转换为数字信号传给采煤机控制器，监测电机运行中的温度。当电机温度大于 135℃时，采煤机自动降容运行。电机回路安装绝缘监测装置，监测电机的绝缘状态，并把状态信号传给控制器。根据采集的电机数据对电机工作状态进行综合分析，并结合电机的运行特性曲线来控制电机运行。电机控制如图5所示。
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结束语
综上所述，在煤矿无人化综采作业中，智能化采煤机是最为关键的设备。它是基于自动纠偏、自动定位、自动煤岩感知、自动截割调高以及自动故障诊断等多项高新科技而实现的无人化采煤技术。关注这一科技发展趋势，有利于煤矿井下开采智能化和自动化水平的不断提升。
参考文献
［1］刘占群，刘运宏，纪茂峰.电牵引采煤机智能化改造［J］.煤炭科学技术，2015（10）：57- 60.
［2］林涛党，景锋，刘东航. 基于 CAN 总线的采煤机智能化集中控制单元的研究与设计［J］. 内蒙古煤炭经济，
2017（14）：32- 35.
［3］胡璟.单滚筒短壁采煤机采高检测装置及检测方法［J］.煤矿机电，2016（6）：80- 82.
［4］邱锦波. 滚筒采煤机自动化与智能化控制技术发展及应用［J］. 煤炭科学技术，2013（11）：73- 75.
［5］孙卓.采煤机记忆割煤数学分析及实现方法［J］.工矿自动化，2017（9）：90- 92.
论文作者:张海涛
论文发表刊物:《中国电业》2019年22期
论文发表时间:2020/4/7
标签：采煤机论文; 电机论文; 作业论文; 传感器论文; 负载论文; 技术论文; 温度论文; 《中国电业》2019年22期论文;