一种采煤机行走轮磨损量检测装置和磨损量检测预警方法

摘要

本发明公开了一种采煤机行走轮磨损量检测装置和磨损量检测预警方法，MEMS传感器为惯性测量单元，设在惰轮输出轴端面的安装槽内，MEMS传感器上设有存储卡，且MEMS传感器通过线缆连接至数据接收装置的输入端，数据接收装置的输出端连接至一数据处理装置，数据接收装置和数据处理装置设置在数控箱中；惰轮与采煤机行走轮啮合，行走轮与刮板输送机的销轨齿啮合。本发明配置简洁、检测过程简单；不需要人为参与，适用于在恶劣的矿井下工作，能够通过惰轮输出轴上的MEMS传感器检测得到行走轮在运行过程中各种运动学和动力学参数；可以得出正确的磨损量数据并实时作出响应，及时正确判断行走轮是否为正常工作状态并作出预警应对，能够避免严重生产事故的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采煤机行走轮磨损量检测装置和磨损量检测预警方法，属于矿用设备领域。

背景技术

采煤机作为综采工作面中最关键的设备，其产品性能、质量、生产能力决定着工作面乃至矿井生产能力，但是由于采煤机(尤其是厚煤层、大采高采煤机)行走轮与刮板输送机销轨啮合变位等问题，造成行走轮磨损严重，如果不能及时检测磨损量，极易发生断齿损坏现象，严重影响工作面的生产效率，甚至发生更严重的事故。

当前，磨损量的检测可以采用齿轮磨损油液检测试验台、齿轮磨损故障声发射检测、三位坐标测量机检测齿轮磨损量等检测装置及方法，但是，一方面上述方法大多依靠多个检测元件复合检测，过程繁琐、反馈结果不及时且易出错；另一方面，由于采煤机工作环境恶劣，上述方法并不适用于检测采煤机行走轮的磨损量，导致无法及时了解行走轮的工作状态。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够适应恶劣的工作环境，配置简洁、检测过程简单，可以实时处理行走轮磨损数据、正确判断行走轮是否为正常工作状态，能够避免严重生产事故发生的采煤机行走轮磨损量检测装置；本发明的另一目的是提供一种检测容易、结果精确，能够及时正确判断行走轮工作状态并作出应对的采煤机行走轮磨损量检测预警方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采煤机行走轮磨损量检测装置，包括一MEMS传感器，所述MEMS传感器设置在惰轮输出轴端面的安装槽内，所述MEMS传感器上设有存储卡，且MEMS传感器通过线缆连接至一数据接收装置的输入端，数据接收装置的输出端连接至一数据处理装置，所述数据接收装置和数据处理装置设置在数控箱中；所述惰轮与采煤机行走轮啮合，所述行走轮与刮板输送机的销轨齿啮合。

进一步的，还包括一采煤机行走轮报警装置，所述数据处理装置的输出端通过线缆连接至采煤机行走轮报警装置。

优选的，所述MEMS传感器外设有金属盖。

优选的，所述MEMS传感器为IMU惯性测量单元。

优选的，所述MEMS传感器由放置在数控箱中的电池通过线缆供电。

优选的，所述数据接收装置是具有线缆接口的大容量存储器。

优选的，所述数据处理装置是具有高速处理能力的微处理器。

优选的，所述数控箱设置在牵引电机一侧。

优选的，所述线缆为井下通讯线缆，井下通讯线缆从MEMS传感器引出后，沿上述牵引电机边缘布置，接入到数控箱内。

本发明还提供了一种采煤机行走轮的磨损量检测预警方法，包括如下步骤：

(1)定义计算行走轮磨损量所需的坐标系，导航坐标系O_nx_ny_nz_n为计算的基准坐标系，原点在采煤机的端头处，x_n轴平行于采煤机工作面水平指向机身右侧，y_n轴指向液压支架且垂直于采煤机工作面，z_n轴沿着地垂线方向指向上方，导航坐标系记为n系；行走轮坐标系O_bx_by_bz_b与行走轮固连，原点在行走轮惰轮轴的中心处，x_b轴沿采煤机工作面水平方向指向机身右侧，y_b轴沿垂直于采煤机机身方向指向液压支架，z_b沿采煤机竖轴向上；行走轮坐标系计为载体坐标系b系；

(2)MEMS传感器检测获得加速度数据a(t)，将加速度数据存储下来并通过井下通讯线缆传输至数据接收装置，数据接收完成后，将数据导入数据处理装置，经Kalman滤波处理后，对利用MEMS传感器获得的方向余弦矩阵进行姿态解算，将载体坐标系中定义的加速度左乘方向余弦得到导航坐标系中的加速度aⁿ；

(3)对aⁿ进行频域积分，进行频域积分会减少由于时间累积产生的积分误差，根据傅里叶变换的公式，加速度信号在任一频率的傅里叶分量可以表达为

a(t)＝Ae^jωt，

式中：a(t)为加速度信号在频率ω的傅里叶分量，A为对应a(t)的系数，j为虚数；

初速度分量为0时，对加速度信号分量进行时间积分可以得出速度信号分量，即

式中：v(t)为速度信号在频率ω的傅里叶分量，V为对应v(t)的系数；

由于一次积分在频域里关系式为：

初速度和初位移分量均为0时，对加速度信号的傅里叶分量两次积分可得出位移分量：

式中：s(t)为位移信号在频率ω的傅里叶分量，S为对应s(t)的系数；

(4)将两次积分后的位移信息，进行傅里叶逆变换可得到时域的位移信息，即行走轮啮合点的位置信息；由载体坐标系可知，需要检测和计算的磨损量发生在x_bz_b平面内，所以y_b方向上的位移可以忽略，在一对齿啮合时间内，将s(t)记为s₁(x₁，z₁)，s₂(x₂，z₂)，s₃(x₃，z₃)……s_n(x_n，z_n)，根据这n个点，通过最小二乘法多项式曲线拟合原理和方法拟合出行走轮啮合齿的轮廓曲线；

(5)在下一对齿啮合的时候，重复计算与拟合，直至行走轮转动一圈后，即可以拟合出行走轮啮合齿的轮廓曲线；

(6)行走轮继续转动过程中，循环计算与拟合曲线，通过将每一圈转动的轮廓曲线与之前转动一圈的轮廓曲线对比即获得行走轮的磨损量；

(7)数据处理装置采用BP神经网络对不同的磨损量作为训练数据并进行分类，BP神经网络的输出结果作为控制指令输送至采煤机行走轮报警装置，当BP神经网络输出结果达到预先设置在采煤机行走轮报警装置中的预报警值时，采煤机行走轮报警装置发出预报警信号；当BP神经网络输出结果超出了预先设置在采煤机行走轮报警装置中的报警值时，报警装置发出报警信号。

本发明配置简洁、检测过程简单；不需要人为参与，适用于在恶劣的矿井下工作，能够通过惰轮输出轴上的MEMS传感器检测得到行走轮在运行过程中各种运动学和动力学参数；可以得出正确的磨损量数据并实时作出响应，及时正确判断行走轮是否为正常工作状态并作出应对，能够避免严重生产事故的发生。

附图说明

图1是本发明的结构配合示意图；

图2是本发明采煤机行走箱整体侧面示意图；

图3是磨损量检测装置连接图；

图4行走轮磨损量检测方法流程图；

图5是图1中A处放大后根据拟合曲线计算磨损量的示意图；

图6是载体坐标系与采煤机关系的示意图；

图中，1、行走轮；2、MEMS传感器；3、惰轮；4、惰轮输出轴；5、惰轮端盖；6、行走轮端盖；7、牵引电机；8、数控箱；9、销轨齿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图所示，一种采煤机行走轮磨损量检测装置，包括一MEMS传感器2，所述MEMS传感器2设置在惰轮输出轴4端面的安装槽内，惰轮输出轴4上安装惰轮3，惰轮3外设有惰轮端盖5，所述MEMS传感器2上设有存储卡，且MEMS传感器2通过线缆连接至一数据接收装置的输入端，数据接收装置的输出端连接至一数据处理装置，所述数据接收装置和数据处理装置设置在数控箱8中；所述惰轮3与采煤机行走轮1啮合，行走轮1外覆盖行走轮端盖6，所述行走轮1与刮板输送机的销轨齿9啮合。

具体原理：MEMS传感器2安装在与行走轮1啮合的惰轮输出轴4上，因为齿轮啮合传动是刚性传动，所以安装在惰轮输出轴4上的MEMS传感器2可以用来检测行走轮1在运行过程中各种运动学和动力学参数。MEMS传感器2采集数据存储后，通过线缆将数据传输到数据接收装置。数据接收完成后，数据接收装置不再接收数据，并将数据导入数据处理装置，通过算法处理，获得行走轮1的加速度数据及两次积分后的位移信息，得到行走轮1的运行工况及磨损量。数据处理单元将磨损量与预先设置在数据处理单元中的磨损量极值比较，判断磨损量是否超过极值，不超过极值，正常工作，继续检测；否则，提醒人为维修或更换行走轮1。

进一步的，还包括一采煤机行走轮报警装置，所述数据处理装置的输出端通过线缆连接至采煤机行走轮报警装置。数据处理装置得出磨损量后，将数据传输至采煤机行走轮报警装置，若磨损量超出了预先设置在采煤机行走轮报警装置中的报警值时，报警装置发出报警信号。

优选的，为了保护传感器不受损伤，所述MEMS传感器2外设有金属盖。

优选的，所述MEMS传感器2为IMU惯性测量单元。IMU惯性测量单元是一种由三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器组成的传感部件，可以精确检测行走轮1在运行过程中各种运动学和动力学参数。

优选的，所述MEMS传感器2由放置在数控箱8中的电池通过线缆供电。

优选的，所述存储卡是UFS2.0及以上高速存储卡，存储卡连接至MEMS传感器2的存储卡接口，可以快速存储大量数据。

优选的，为了数据接收装置与MEMS传感器2的连接更加方便，所述数据接收装置是具有线缆接口的大容量存储器。

优选的，所述数据处理装置是具有高速处理能力的微处理器。

优选的，所述数控箱8设置在牵引电机7一侧。

优选的，为了保证使用安全，所述线缆为井下通讯线缆，所述井下通讯线缆从MEMS传感器2引出后，沿牵引电机7边缘布置，接入到数控箱8内。

采煤机行走轮的磨损量检测预警方法，包括如下步骤：

(1)行走轮1的磨损量参数是通过加速度数据确定的，加速度的获得需要各个坐标系之间的关系来确定。

定义计算行走轮磨损量所需的坐标系，导航坐标系O_nx_ny_nz_n为计算的基准坐标系，原点在采煤机的端头处，x_n轴平行于采煤机工作面水平指向机身右侧，y_n轴指向液压支架且垂直于采煤机工作面，z_n轴沿着地垂线方向指向上方，导航坐标系记为n系；行走轮坐标系O_bx_by_bz_b与行走轮固连，原点在行走轮惰轮轴的中心处，x_b轴沿采煤机工作面水平方向指向机身右侧，y_b轴沿垂直于采煤机机身方向指向液压支架，z_b沿采煤机竖轴向上；行走轮坐标系计为载体坐标系b系；

(2)MEMS传感器2检测获得加速度数据a(t)，将加速度数据存储下来并通过井下通讯线缆传输至数据接收装置，数据接收完成后，将数据导入数据处理装置，经Kalman滤波处理后，对利用MEMS传感器2获得的方向余弦矩阵进行姿态解算，将载体坐标系中定义的加速度左乘方向余弦得到导航坐标系中的加速度aⁿ；

(3)对aⁿ进行频域积分，进行频域积分会减少由于时间累积产生的积分误差，基本原理是，首先将需要积分的信号作傅里叶变换，然后将变换结果在频域里进行积分运算，最后经傅里叶逆变换得到积分后的时域信号：

根据傅里叶变换的公式，加速度信号在任一频率的傅里叶分量可以表达为

a(t)＝Ae^jωt，

式中：a(t)为加速度信号在频率ω的傅里叶分量，A为对应a(t)的系数，j为虚数；

初速度分量为0时，对加速度信号分量进行时间积分可以得出速度信号分量，即

式中：v(t)为速度信号在频率ω的傅里叶分量，V为对应v(t)的系数；

由于一次积分在频域里关系式为：

当初速度和初位移分量均为0时，对加速度信号的傅里叶分量两次积分可得出位移分量：

式中：s(t)为位移信号在频率ω的傅里叶分量，S为对应s(t)的系数。

(4)将两次积分后的位移信息，进行傅里叶逆变换可得到时域的位移信息，即行走轮1啮合点的位置信息；由载体坐标系可知，需要检测和计算的磨损量发生在x_bz_b平面内，所以y_b方向上的位移可以忽略，在一对齿啮合时间内，将s(t)记为s₁(x₁，z₁)，s₂(x₂，z₂)，s₃(x₃，z₃)……s_n(x_n，z_n)，根据这n个点，通过最小二乘法多项式曲线拟合原理和方法拟合出行走轮啮合齿的轮廓曲线；

(5)在下一对齿啮合的时候，重复计算与拟合，直至行走轮转动一圈后，即可以拟合出行走轮啮合齿的轮廓曲线；

(6)行走轮继续转动过程中，循环计算与拟合曲线，通过将每一圈转动的轮廓曲线与之前转动一圈的轮廓曲线对比即获得行走轮1的磨损量；

(7)数据处理装置采用BP神经网络对不同的磨损量作为训练数据并进行分类，BP神经网络的输出结果作为控制指令输送至采煤机行走轮报警装置，当BP神经网络输出结果达到预先设置在采煤机行走轮报警装置中的预报警值时，采煤机行走轮报警装置发出预报警信号；当BP神经网络输出结果超出了预先设置在采煤机行走轮报警装置中的报警值时，报警装置发出报警信号。