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［摘要］機(jī)電一體化技術(shù)通過對機(jī)電集成驅(qū)動技術(shù)和傳感器定位的綜合應(yīng)用，可以滿足機(jī)電一體化礦山機(jī)械工程的應(yīng)用需求。本文提供了一個基于機(jī)電一體化原理的礦山機(jī)械系統(tǒng)工程的應(yīng)用方案。經(jīng)過與傳統(tǒng)方法的對比實(shí)驗(yàn)，得到最終優(yōu)化的治理方案。

［關(guān)鍵詞］機(jī)電一體化；機(jī)械工程；礦山機(jī)械

礦山機(jī)械機(jī)電一體化是在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和礦山機(jī)械設(shè)備工作原理和方法的基礎(chǔ)上形成的現(xiàn)代礦山機(jī)械智能化、信息化、數(shù)字化綜合性控制方式。礦山機(jī)械機(jī)電一體化是現(xiàn)代礦山機(jī)械發(fā)展的必然趨勢，也是現(xiàn)代礦山機(jī)械設(shè)備發(fā)展的必經(jīng)之路。礦山機(jī)械自動化控制網(wǎng)絡(luò)的建立與發(fā)展，對于礦山企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義［1］。隨著礦山機(jī)械工程控制網(wǎng)絡(luò)的建立和發(fā)展，礦山機(jī)械機(jī)電一體化建設(shè)已成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的必要條件。礦山機(jī)械自動化控制網(wǎng)絡(luò)的建立和發(fā)展，使礦山機(jī)械機(jī)電一體化工程建設(shè)成為實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的必備條件。礦山機(jī)電一體化雖是一個新生事物，但已成為現(xiàn)代礦產(chǎn)開采中的關(guān)鍵技術(shù)。礦山機(jī)械以其體積小、噸位大、制造工藝復(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜等特點(diǎn)，成為工程領(lǐng)域中的重要課題。機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到礦山機(jī)械設(shè)備上，能夠改善機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本文研究了基于機(jī)電一體化技術(shù)礦山機(jī)械的應(yīng)用，分別從傳感器定位、傳感器監(jiān)測、機(jī)電集成驅(qū)動進(jìn)行了分析，并將協(xié)同應(yīng)用于礦山綜合生產(chǎn)采掘系統(tǒng)，比較了礦山大型機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)優(yōu)化運(yùn)用前后的能耗差異。

1基于機(jī)電一體化技術(shù)礦山機(jī)械的應(yīng)用方法

應(yīng)用方法主要是以礦山機(jī)械系統(tǒng)工程要求為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)開采設(shè)備方法進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，并對礦山機(jī)械系統(tǒng)工程開采設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。通過對生產(chǎn)數(shù)值和富余參數(shù)影響因素的確定，形成礦山機(jī)械的優(yōu)選模式，保證機(jī)械設(shè)備的作業(yè)質(zhì)量?；跈C(jī)電一體化技術(shù)的礦山機(jī)械自動生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，具體用途模式主要是在礦山系統(tǒng)的應(yīng)用上依靠機(jī)電集成驅(qū)動技術(shù)和傳感器定位。

1.1構(gòu)建機(jī)電集成驅(qū)動

在礦石綜合生產(chǎn)中，要實(shí)現(xiàn)采掘、提升、運(yùn)輸?shù)雀鞣N功能，就要在整個礦石綜合生產(chǎn)中具體量化驅(qū)動任務(wù)。驅(qū)動任務(wù)對于礦石綜合生產(chǎn)的重要性是以系統(tǒng)任務(wù)完成效率與效果來衡量。傳統(tǒng)驅(qū)動器系統(tǒng)應(yīng)用在電機(jī)、電氣等形式，而機(jī)電集成操作系統(tǒng)通過不同命令的適當(dāng)操作保證機(jī)械工程合理運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的價(jià)值，對信息安全和實(shí)際環(huán)境變化作出了相應(yīng)要求。可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)保證操作機(jī)械臂運(yùn)行的連續(xù)性和時(shí)效性。在需要及時(shí)更新設(shè)備狀態(tài)時(shí)，依靠地質(zhì)條件和采礦生產(chǎn)等內(nèi)容數(shù)據(jù)信息的完整性控制處理，并且完成設(shè)備故障更新與修正［2］。礦山機(jī)電集成驅(qū)動技術(shù)是機(jī)電一體化在礦山采集應(yīng)用的核心技術(shù)，這一過程包括部件開發(fā)和控制，其操作流程如圖1所示。機(jī)電集成驅(qū)動技術(shù)的核心主要是四個部分。礦山工藝精細(xì)復(fù)雜，需要依靠工業(yè)減速器穩(wěn)定的牽引特性傳遞力矩，在速度進(jìn)行作業(yè)時(shí)降速，保持能源穩(wěn)定運(yùn)行，再通過執(zhí)行器的力臂牽制發(fā)電?？梢酝ㄟ^機(jī)電一體化技術(shù)一邊為電機(jī)上其他系統(tǒng)比對數(shù)據(jù)傳遞信號，一邊為動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換提供能量，一邊克服阻力加速電網(wǎng)供應(yīng)［3］。在伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，需要確保每個基本單元的故障排查準(zhǔn)備工作落實(shí)，合理規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。若遇到問題，需要第一時(shí)間上報(bào)解決。而第三部分的電氣控制板卡可以在一個部件集成多單元模擬分析，保持運(yùn)行時(shí)效自然穩(wěn)定。第四個核心部件是執(zhí)行器。執(zhí)行器部件設(shè)計(jì)復(fù)雜，但損耗小，可以確保其使用僅僅在整流子和電刷兩個部件上耗能。執(zhí)行器驅(qū)動可以保障礦山機(jī)械在斜坡上穩(wěn)定運(yùn)行［4］。需注意機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此即使是再小的單元出現(xiàn)故障，也會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.2傳感器定位

確定需求分析后，比對礦山機(jī)械工程信息數(shù)據(jù)，要通過訪問數(shù)據(jù)庫，從大范圍的信息中進(jìn)行選擇機(jī)械設(shè)備輸入的模糊查詢［5］。針對其中大型機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行可靠性監(jiān)測，利用最大工作壓力和最高工作速率完成一系列參數(shù)信息工作，錄入及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)信息，這對傳感器有很高的要求。1.2.1傳感器選型。針對礦山大型機(jī)電設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)際輸入量與實(shí)際輸出量之間具體物理量，傳感器選型通常采取高壓、高溫傳感器。礦山綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中主要耗能設(shè)備的動力來自高壓油泵，采煤機(jī)、掘石機(jī)、挖掘機(jī)和提升機(jī)的動力來自于高溫油泵，油箱油壓與溫度一定程度上影響了煤礦綜合生產(chǎn)的強(qiáng)度。傳感器設(shè)備被應(yīng)用于礦石綜合生產(chǎn)的各個階段，包括生產(chǎn)一噸礦石的標(biāo)準(zhǔn)耗電量檢測、運(yùn)載物料重量檢測、液壓信號測量等［6］。油壓、油溫傳感器選型：煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中主要耗能設(shè)備：采礦機(jī)、礦石掘進(jìn)機(jī)、挖掘機(jī)和提升機(jī)的動力來自現(xiàn)采用GD60-Y2型高壓變送器及SGW系列一體化溫度變送器。傳感器設(shè)備可以對采礦機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、挖掘機(jī)的礦石提升油箱壓力以及油溫變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。再通過YD60Y壓力傳感器輸出460mA電流信號。利用SW/YZ系列熱電偶進(jìn)行二線制傳送，二線制傳輸需要讓電源與信號輸出二根共用導(dǎo)線才能達(dá)到傳輸?shù)墓δ堋毫訔l件下礦山作業(yè)需要選擇防雷擊的液位傳感器。液位傳感器通常采用CY-24型號。CY-24液位傳感器采用防爆電路設(shè)計(jì)，其工作溫度寬，溫度漂移小，因此可以做到防雷擊、耐腐蝕、抗干擾的效果［7］。礦山企業(yè)在運(yùn)載強(qiáng)度上主要采用轉(zhuǎn)速傳感器。采用G0SG-4型速度變送器對主耗能皮帶機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用CZ400型電機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀對整個系統(tǒng)中大型機(jī)電設(shè)備電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。載重傳感器選型：煤礦綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中涉及裝運(yùn)和承載的主耗能設(shè)備：掘進(jìn)機(jī)、輸送機(jī)、公路汽車、皮帶機(jī)都采用CY-603S輪輻式稱重傳感器來采集設(shè)備所裝運(yùn)的物料重量。對于傳輸精細(xì)部件，則分別使用M300334型高壓變送器與KGF2高壓變送傳感器［8］。1.2.2傳感器監(jiān)測流程。要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)控化、智能化協(xié)作能力，就必須制定一套完善可靠的傳感器監(jiān)測方案。礦山物聯(lián)網(wǎng)感知傳感器監(jiān)測流程如圖2所示?；谖锫?lián)網(wǎng)下的傳感器監(jiān)測，可以及時(shí)更新數(shù)據(jù)。通過傳感器數(shù)據(jù)對礦山企業(yè)的綜合生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行智能化數(shù)據(jù)處理以及定位監(jiān)測，確保傳感器在線性、靈敏度上達(dá)到參考數(shù)值。具體操作步驟如下：將采集到大型機(jī)電設(shè)備的礦山模擬量數(shù)據(jù)通過傳感器模擬量接口讀入內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)，經(jīng)轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)通過調(diào)用功能發(fā)送到調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器接收到確認(rèn)信息后，把它轉(zhuǎn)發(fā)給S7200型號監(jiān)管系統(tǒng)，通過調(diào)制解調(diào)器的處理將接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為GPS數(shù)據(jù)包格式，經(jīng)由GPS服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到礦山綜合生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行管理。通過WDRECEIV功能快速接收信息并確認(rèn)，緊接著又通過WDSEND功能快速發(fā)送到綜合生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，傳輸完成的信息轉(zhuǎn)換給上位機(jī)。各子系統(tǒng)大型機(jī)電設(shè)備都遵守該規(guī)則進(jìn)行工作，應(yīng)用節(jié)能導(dǎo)向的動態(tài)優(yōu)先級礦山大型機(jī)電設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)。不同類型的環(huán)境、工作強(qiáng)度選擇的傳感器也不同，在上文針對傳感器定位進(jìn)行了具體的闡述。若線路流程正常，則自動聯(lián)網(wǎng)程序正常運(yùn)行。若出現(xiàn)故障，則直接轉(zhuǎn)入人工處理，以確保各環(huán)節(jié)的定位監(jiān)測都能正常進(jìn)行。

2實(shí)驗(yàn)

若要實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化技術(shù)在礦山機(jī)械工程的應(yīng)用優(yōu)化，提高效率，則需要利用機(jī)電集成技術(shù)和傳感器定位，滿足礦山開采裝備系統(tǒng)中富余系數(shù)和生產(chǎn)數(shù)值的持續(xù)增長。本次研究利用機(jī)電一體化技術(shù)對礦山開采實(shí)施智能化數(shù)據(jù)處理，并與傳統(tǒng)的開采礦石模式進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以分析得出結(jié)論。

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

己知某礦山企業(yè)的綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中配備PCM20型礦石碎壁機(jī)2臺，SZ83031型重力傳輸機(jī)3臺，MG15035-W型采礦挖掘機(jī)3臺，SGZ830630型礦石運(yùn)輸機(jī)3臺，DTIIA型輸送機(jī)3臺，5L408型集合壓縮機(jī)4臺，ZF380016/3/2型高壓支架4套，MD2858型多功能運(yùn)輸機(jī)3臺，Y450S3-4-1型皮帶傳送機(jī)5臺?，F(xiàn)加入集成壓力技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動，經(jīng)計(jì)算此時(shí)該礦山企業(yè)綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的采掘系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)噸煤能耗為282kW?，F(xiàn)在設(shè)定礦山機(jī)械綜合生產(chǎn)中總?cè)蝿?wù)數(shù)量不超過100臺，經(jīng)計(jì)算此時(shí)該礦山企業(yè)綜合生產(chǎn)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)噸煤能耗綜合生產(chǎn)任務(wù)數(shù)量上限為200t，對任務(wù)調(diào)度期間的噸煤能耗數(shù)據(jù)與煤炭生產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的礦山機(jī)械工程通過對不同設(shè)備系統(tǒng)的綜合比對數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)精度問題的分析，如表1所示。從表1可以得出，相較于傳統(tǒng)的礦山采集模式，優(yōu)化后的設(shè)備在生產(chǎn)數(shù)值和富余系數(shù)都有了穩(wěn)定提升，優(yōu)化后的開采設(shè)備與傳統(tǒng)開采設(shè)備差額提高了20t。礦山開采幾乎提升了一倍，達(dá)到了100t的高質(zhì)量提升。在富余系數(shù)上也有了穩(wěn)定的提高，傳統(tǒng)的富余系數(shù)在2.86～9.71之間波動，而優(yōu)化后的富余系數(shù)也基本上保持了一倍的增長，并且能夠滿足礦山機(jī)械生產(chǎn)工作的基本要求。但還需注意，若提升后的裝備速率大于運(yùn)輸速率，那么礦產(chǎn)資源滯留波動會逐漸下滑。通過合理利用優(yōu)化，機(jī)電一體化的礦山機(jī)械工程應(yīng)用達(dá)到最大效率提升，設(shè)備的生產(chǎn)取得良好的效益，且富余系數(shù)符合采礦機(jī)械基本的約束條件，這說明機(jī)電一體化技術(shù)對礦山采集等工作進(jìn)行了智能性的優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文所給出的優(yōu)選方案仍存在著一定可能性，完成了對礦山機(jī)械工程配置的階段性提升要求，并可以適應(yīng)于日常工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)計(jì)需要。

3結(jié)束語

本研究中通過與傳統(tǒng)開采的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)合礦山工程的設(shè)備條件應(yīng)用實(shí)踐，準(zhǔn)確反映了優(yōu)化后礦山機(jī)械工程運(yùn)行質(zhì)量的穩(wěn)定提升，提高方法的適用優(yōu)化率，以便礦山工程機(jī)電一體化結(jié)合后減少耗能。但由于研究經(jīng)驗(yàn)有限，仍有很大的改進(jìn)空間，特別是缺乏對礦山機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合評價(jià)指標(biāo)，希望本文的研究能對礦山機(jī)械提供一些理論幫助。

作者:齊朋亮 單位:中鐵十九局礦業(yè)公司