滚筒采煤机摇臂综合状态参数在线监测装置的制作方法

本实用新型涉及一种采煤机摇臂传动系统特定故障、故障预测存在与否以及故障位置判定的一套故障诊断装置。

背景技术：

采煤机是煤矿井下综采工作面生产的关键设备，是煤矿企业实现高效集约化采煤、减少煤矿重大事故和改善工作面劳动条件的重要技术装备。据统计，某现代化亿吨矿区近年来采煤机截割部摇臂故障占采煤机故障率平均为34.2％。摇臂故障导致采煤机的开机率低，是影响采煤作业效率的重要因素之一。

采煤机摇臂的故障原因有多种，有时一处故障由多种原因引起，例如既可能包含机械原因，也可能包含润滑油品质的原因，单纯消除一方面原因无法彻底解除该故障，或者仅通过消除一个方面原因而解除故障后，可能很快再次发生相同的故障。也有时一种基础的原因会引起多处不同的表现，仅通过一种表现难以确定是何种原因，因此为了及时掌握摇臂故障的类型、发生位置和原因，甚至是预测故障的类型、发生位置和原因以便及时干预，需要一种能够支持多参数在线监测的系统。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种滚筒采煤机摇臂综合状态参数在线监测装置，能自动检测摇臂多个重要部位的多种重要参数，及时报告摇臂状态，进行故障定位，由此提高摇臂可靠性和采煤机开机率。

本实用新型的主要技术方案有：

一种滚筒采煤机摇臂综合状态参数在线监测装置，包括用于在线监测摇臂振动的本安型摇臂振动监测模块、用于在线监测摇臂传动系统润滑油液情况的本安型油液健康监测模块和接收来自前两种模块的监测数据并输出摇臂当前状态信息的本安型预诊断中心模块，所述摇臂振动监测模块和油液健康监测模块各自通过有线通信方式和/或无线通信方式与所述预诊断中心模块进行通信，向所述预诊断中心模块传送监测数据信息，所述油液健康监测模块包括第一传感器信号处理电路和浸入式的电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器，电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器均安装在摇臂壳体上，它们的传感元件直接浸入到摇臂传动系统壳体内润滑油液中，所述电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器的信号输出端连接所述第一传感器信号处理电路的传感信号输入端，所述第一传感器信号处理电路的输出端构成为所述油液健康监测模块的输出端。

所述第一传感器信号处理电路与所述电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器在结构上集成为一体。

所述油液健康诊断模块优选置于摇臂壳体底部位置，与摇臂放油口处于同一水平面。

所述第一传感器信号处理电路可以包括依次连接的采集单元和第一主控芯片，采集单元的输入端作为所述第一传感器信号处理电路的输入端。

所述摇臂振动监测模块至少包括第二传感器信号处理电路和三个三轴振动传感器，所述三个三轴振动传感器都布置在采煤机摇臂壳体上，并分别靠近行星传动机构的一级行星架中心轴、截割电机轴中心及圆柱齿轮减速机构一级传动轴的中心位置，所述三轴振动传感器的信号输出端连接所述第二传感器信号处理电路的传感信号输入端，所述第二传感器信号处理电路的输出端构成为所述摇臂振动监测模块的输出端。

所述摇臂振动监测模块还可以包括三个表贴式温度传感器，所述表贴式温度传感器直接安装在与所述三个三轴振动传感器所在位置相对应的摇臂金属外壳表面，所述表贴式温度传感器的信号输出端连接所述第二传感器信号处理电路的传感信号输入端。

所述预诊断中心模块可以包括第三主控芯片、存储单元和USB接口，所述存储单元和USB接口各自与第三主控芯片双向通信连接，所述第三主控芯片的信号输入端连接有信号隔离电路，信号隔离电路的输入端作为所述预诊断中心模块的输入端，所述第三主控芯片的信号输出端连接总线，总线输出端作为所述预诊断中心模块的输出端。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型能够实时在线监测采煤机的摇臂在运行状态的振动响应、摇臂传动系统润滑油液的温度以及油液金属磨粒、电介质等状态数据，通过多参数融合的方式综合反映摇臂的健康状态，并迅速进行故障定位，有助于缩短排除故障需要的时间，甚至通过及时有针对性的干预减少故障的发生，因此对于降低摇臂故障率、提高摇臂可靠性、提高采煤机开机率、促进综采工作面均衡生产等方面均有着重要的实际工程意义。

由于能够同时监测摇臂多个位置的涉及不同对象的不同状态信息，并结合多参数进行摇臂健康状态预诊断，使本实用新型的监测结果具有相当的可信度。

本实用新型采用了本安电路设计，能够很好地适应瓦斯、煤尘爆炸环境；另外，由于采用一体化低功耗设计、高防护等级设计，从系统层面上提高了监测装置的整体可靠性，进而一定程度上提高了摇臂健康状态监测的可靠及精确性。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的原理框图；

图2是本实用新型所包括的三大模块在采煤机上的布置示意图；

图3是所述摇臂振动监测模块的一个实施例的原理框图；

图4是所述油液健康监测模块的一个实施例的原理框图；

图5是所述预诊断中心模块的一个实施例的原理框图。

具体实施方式

本实用新型公开了一种滚筒采煤机摇臂综合状态参数在线监测装置，如图1所示，包括本安型摇臂振动监测模块、本安型油液健康监测模块和本安型预诊断中心模块。

所述摇臂振动监测模块和油液健康监测模块分别用于在线监测摇臂振动和摇臂传动系统润滑油液情况，它们各自通过有线通信方式和/或无线通信方式与所述预诊断中心模块进行通信(图1所示实施例中采用无线WIFI通信方式)，向所述预诊断中心模块传送其所采集到的摇臂振动和油液状态的监测数据信息。所述预诊断中心模块接收这些监测数据信息，并对其进行统一的归一化数据处理，使得不同特性参数以及不同工况下采集的数据具有同类可比性，并进行摇臂状态预诊断，最后所述预诊断中心模块根据预诊断结果向外输出摇臂的当前状态信息，这些状态信息能够反映摇臂的健康状况。

所述摇臂振动监测模块主要负责采集摇臂对应位置的振动加速度信号，采集的振动信号中包含有摇臂整个传动链上齿轮、轴承等传动件的状态信息。传动链不同位置的基础运行频率不同。预诊断中心模块将采集到的摇臂振动信号进行预处理，获得其频谱特性、信号包络特性等时频域特征值，通过不同位置振动特征值的交叉对比，可以判断出摇臂传动链不同位置的齿轮及轴承等传动件的状态。

基于振动的状态监测对已经发生的机械损伤有较好的判别能力，但是对于正常工作中的机械磨损及润滑异常等状态，振动信号相关特征值的变化并不明显。因此综合采用所述油液健康监测模块的监测结果进行进一步的判断。

所述油液健康监测模块具有油液多参数监测功能，置于摇臂液压油回路中的敏感位置，用于采集采煤机油液状态信息。如图4所示，所述油液健康监测模块包括第一传感器信号处理电路和浸入式的电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器。所述电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器均直接安装在摇臂壳体上，它们的传感元件直接浸入到摇臂传动系统壳体内润滑油液中。这三种传感器分别用于在线监测油液的金属磨粒、介电常数以及温度参数。油液金属磨粒参数用于判断摇臂传动系统磨损情况；油液介电常数用于判断油液自身污染情况，例如油液乳化情况；油液温度用于辅助判断摇臂传动系统磨损及润滑工作状态。所述电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器的信号输出端连接所述第一传感器信号处理电路的传感信号输入端，所述第一传感器信号处理电路的输出端构成为所述油液健康监测模块的输出端，与所述预诊断中心模块通信连接。所述第一传感器信号处理电路用于对所述电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器采集的信号进行预处理和必要的模数转换。

机械磨损发生时，会产生与磨损严重程度相对应的不同尺寸及累积量的金属磨粒及工作温升，因此通过所述油液健康监测模块采集油液中磨粒大小及累积量变化状态，同时参考油液温度变化，可监测润滑油液中各传动件的磨损情况。而通过进一步检测磨粒属性，可判断出磨粒主要来源自哪些位置，进而有助于具体机械磨损部位的定位。

油液自身的污染情况也会对整个摇臂传动链产生影响，采煤机摇臂润滑油液的污染物主要为水和煤粉尘，污染后的油液其电介质参数及工作温度会发生变化，因此通过所述油液健康监测模块采集油液电介质及温度参数可有效判读油液的健康状态。

所述第一传感器信号处理电路与所述电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器在结构上优选采用一体化设计，即几个部分集成为一体，使所述第一传感器信号处理电路具有低功耗、小体积、高环境耐受的特点。

如图2所示，所述油液健康诊断模块优选置于摇臂壳体底部位置，与摇臂放油口处于同一水平面。

所述第一传感器信号处理电路可以包括依次连接的采集单元和第一主控芯片，采集单元的输入端作为所述第一传感器信号处理电路的输入端。来自所述电磁式磨粒传感器、电介质传感器和温度传感器的信号经采集单元进行滤波、模数转换等预处理，然后经第一主控芯片的通信端口输出。

所述摇臂振动监测模块需要布置在摇臂传动链上的敏感位置，用于采集采煤机的摇臂振动信息。

如图2、3所示，所述摇臂振动监测模块至少包括第二传感器信号处理电路和三个三轴振动传感器，所述三个三轴振动传感器都布置在采煤机摇臂壳体上，具体位置分别靠近摇臂行星传动机构的一级行星架中心轴、截割电机轴中心及圆柱齿轮减速机构一级传动轴的中心位置，所述三轴振动传感器的信号输出端连接所述第二传感器信号处理电路的传感信号输入端，所述第二传感器信号处理电路的输出端构成为所述摇臂振动监测模块的输出端，与所述预诊断中心模块通信连接。所述第二传感器信号处理电路用于对所述三轴振动传感器采集的信号进行预处理和必要的模数转换。

所述摇臂振动监测模块还优选包括三个表贴式温度传感器，用于在线同步监测所述摇臂振动监测模块所在位置的摇臂表面温度。所述三个表贴式温度传感器直接安装在与所述三个三轴振动传感器所在位置相对应的摇臂金属外壳表面，表贴式温度传感器和三轴振动传感器一一对应，所述表贴式温度传感器的信号输出端连接所述第二传感器信号处理电路的传感信号输入端。所述第二传感器信号处理电路也对所述表贴式温度传感器采集的信号进行预处理和必要的模数转换。由于所述表贴式温度传感器的采用，摇臂壳体表面的温度监测数据信息也通过有线通信方式和/或无线通信方式传输给所述预诊断中心模块参与统一的多传感信号归一化数据处理，作为摇臂的当前状态信息之一由所述预诊断中心模块向外输出。温度监测可以作为参考信号，当传动链出现异常配合时及机械损伤时，对应位置的温度会出现不正常的温升及工作温度状态，并且温度的传导及监测更为可靠，因此设置温度传感器可以为齿轮轴承等监测提供辅助判断依据。

所述第二传感器信号处理电路包括依次连接的预处理及ADC电路和第二主控芯片，预处理及ADC电路的输入端作为所述第二传感器信号处理电路的输入端。来自所述三轴振动传感器和表贴式温度传感器的信号经预处理及ADC电路接进行滤波、模数转换等预处理，然后经第二主控芯片的通信端口输出。

如图5所示，所述预诊断中心模块优选设有存储单元和USB接口，所述存储单元和USB接口各自与第三主控芯片双向通信连接，所述第三主控芯片的信号输入端连接有信号隔离电路，信号隔离电路的输入端作为所述预诊断中心模块的输入端，所述第三主控芯片的信号输出端经总线连接上位机。所述预诊断中心模块具有通信、存储及运算功能，通信功能主要在于其具有无线AP功能，可将所述摇臂振动监测模块及油液健康诊断模块的数据与采煤机电气控制网络进行有线网络通讯。所述存储单元和USB接口负责将采集到的数据及预诊断结果进行存储。所述第三主控芯片主要负责根据所述摇臂振动监测模块和油液健康监测模块传来的数据进行处理和预诊断，以及将预诊断的结果数据即摇臂健康数据传输至采煤机控制系统。所述预诊断是综合所述摇臂振动监测模块和油液健康监测模块所提供的多传感器数据对摇臂健康状态进行的快速简单判断，包括不同部位的机械磨损情况和油液健康情况。

所述预诊断中心模块的输出端为带隔离的网络线接口，该接口是所述预诊断中心模块的数据输出接口，通过该接口所述预诊断中心模块通过有线的方式与采煤机控制系统间进行通信，所述预诊断中心模块以有线的方式将信息传递至上位机系统，即采煤机电气控制网络。

由于所述摇臂振动监测模块、油液健康监测模块和预诊断中心模块都是本安型的，都具有本质安全特性，因此可以布置在采煤机防爆箱体外部，并直接应用于煤矿井下危险环境中。

所述摇臂振动监测模块、油液健康监测模块和预诊断中心模块的IP防护等级都不低于IP54，因此具有良好的防尘防水能力，可以直接用于煤粉尘及溅水环境。

所述预诊断中心模块通常独立布置在采煤机电控箱的外部、操作面板的前方，需要时可取下手持操作。

本实用新型可对摇臂状态进行预诊断及故障位置定位，因此有助于提高摇臂的工作可靠性和采煤机的开机率。