本發(fā)明涉及一種采煤機行走輪磨損量檢測裝置和磨損量檢測預(yù)警方法，屬于礦用設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

采煤機作為綜采工作面中最關(guān)鍵的設(shè)備，其產(chǎn)品性能、質(zhì)量、生產(chǎn)能力決定著工作面乃至礦井生產(chǎn)能力，但是由于采煤機(尤其是厚煤層、大采高采煤機)行走輪與刮板輸送機銷軌嚙合變位等問題，造成行走輪磨損嚴重，如果不能及時檢測磨損量，極易發(fā)生斷齒損壞現(xiàn)象，嚴重影響工作面的生產(chǎn)效率，甚至發(fā)生更嚴重的事故。

當前，磨損量的檢測可以采用齒輪磨損油液檢測試驗臺、齒輪磨損故障聲發(fā)射檢測、三位坐標測量機檢測齒輪磨損量等檢測裝置及方法，但是，一方面上述方法大多依靠多個檢測元件復(fù)合檢測，過程繁瑣、反饋結(jié)果不及時且易出錯；另一方面，由于采煤機工作環(huán)境惡劣，上述方法并不適用于檢測采煤機行走輪的磨損量，導致無法及時了解行走輪的工作狀態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，配置簡潔、檢測過程簡單，可以實時處理行走輪磨損數(shù)據(jù)、正確判斷行走輪是否為正常工作狀態(tài)，能夠避免嚴重生產(chǎn)事故發(fā)生的采煤機行走輪磨損量檢測裝置；本發(fā)明的另一目的是提供一種檢測容易、結(jié)果精確，能夠及時正確判斷行走輪工作狀態(tài)并作出應(yīng)對的采煤機行走輪磨損量檢測預(yù)警方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種采煤機行走輪磨損量檢測裝置，包括一MEMS傳感器，所述MEMS傳感器設(shè)置在惰輪輸出軸端面的安裝槽內(nèi)，所述MEMS傳感器上設(shè)有存儲卡，且MEMS傳感器通過線纜連接至一數(shù)據(jù)接收裝置的輸入端，數(shù)據(jù)接收裝置的輸出端連接至一數(shù)據(jù)處理裝置，所述數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理裝置設(shè)置在數(shù)控箱中；所述惰輪與采煤機行走輪嚙合，所述行走輪與刮板輸送機的銷軌齒嚙合。

進一步的，還包括一采煤機行走輪報警裝置，所述數(shù)據(jù)處理裝置的輸出端通過線纜連接至采煤機行走輪報警裝置。

優(yōu)選的，所述MEMS傳感器外設(shè)有金屬蓋。

優(yōu)選的，所述MEMS傳感器為IMU慣性測量單元。

優(yōu)選的，所述MEMS傳感器由放置在數(shù)控箱中的電池通過線纜供電。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)接收裝置是具有線纜接口的大容量存儲器。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理裝置是具有高速處理能力的微處理器。

優(yōu)選的，所述數(shù)控箱設(shè)置在牽引電機一側(cè)。

優(yōu)選的，所述線纜為井下通訊線纜，井下通訊線纜從MEMS傳感器引出后，沿上述牽引電機邊緣布置，接入到數(shù)控箱內(nèi)。

本發(fā)明還提供了一種采煤機行走輪的磨損量檢測預(yù)警方法，包括如下步驟：

(1)定義計算行走輪磨損量所需的坐標系，導航坐標系O_nx_ny_nz_n為計算的基準坐標系，原點在采煤機的端頭處，x_n軸平行于采煤機工作面水平指向機身右側(cè)，y_n軸指向液壓支架且垂直于采煤機工作面，z_n軸沿著地垂線方向指向上方，導航坐標系記為n系；行走輪坐標系O_bx_by_bz_b與行走輪固連，原點在行走輪惰輪軸的中心處，x_b軸沿采煤機工作面水平方向指向機身右側(cè)，y_b軸沿垂直于采煤機機身方向指向液壓支架，z_b沿采煤機豎軸向上；行走輪坐標系計為載體坐標系b系；

(2)MEMS傳感器檢測獲得加速度數(shù)據(jù)a(t)，將加速度數(shù)據(jù)存儲下來并通過井下通訊線纜傳輸至數(shù)據(jù)接收裝置，數(shù)據(jù)接收完成后，將數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)處理裝置，經(jīng)Kalman濾波處理后，對利用MEMS傳感器獲得的方向余弦矩陣進行姿態(tài)解算，將載體坐標系中定義的加速度左乘方向余弦得到導航坐標系中的加速度aⁿ；

(3)對aⁿ進行頻域積分，進行頻域積分會減少由于時間累積產(chǎn)生的積分誤差，根據(jù)傅里葉變換的公式，加速度信號在任一頻率的傅里葉分量可以表達為

a(t)＝Ae^jωt，

式中：a(t)為加速度信號在頻率ω的傅里葉分量，A為對應(yīng)a(t)的系數(shù)，j為虛數(shù)；

初速度分量為0時，對加速度信號分量進行時間積分可以得出速度信號分量，即

式中：v(t)為速度信號在頻率ω的傅里葉分量，V為對應(yīng)v(t)的系數(shù)；

由于一次積分在頻域里關(guān)系式為：

初速度和初位移分量均為0時，對加速度信號的傅里葉分量兩次積分可得出位移分量：

式中：s(t)為位移信號在頻率ω的傅里葉分量，S為對應(yīng)s(t)的系數(shù)；

(4)將兩次積分后的位移信息，進行傅里葉逆變換可得到時域的位移信息，即行走輪嚙合點的位置信息；由載體坐標系可知，需要檢測和計算的磨損量發(fā)生在x_bz_b平面內(nèi)，所以y_b方向上的位移可以忽略，在一對齒嚙合時間內(nèi)，將s(t)記為s₁(x₁，z₁)，s₂(x₂，z₂)，s₃(x₃，z₃)……s_n(x_n，z_n)，根據(jù)這n個點，通過最小二乘法多項式曲線擬合原理和方法擬合出行走輪嚙合齒的輪廓曲線；

(5)在下一對齒嚙合的時候，重復(fù)計算與擬合，直至行走輪轉(zhuǎn)動一圈后，即可以擬合出行走輪嚙合齒的輪廓曲線；

(6)行走輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動過程中，循環(huán)計算與擬合曲線，通過將每一圈轉(zhuǎn)動的輪廓曲線與之前轉(zhuǎn)動一圈的輪廓曲線對比即獲得行走輪的磨損量；

(7)數(shù)據(jù)處理裝置采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同的磨損量作為訓練數(shù)據(jù)并進行分類，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果作為控制指令輸送至采煤機行走輪報警裝置，當BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果達到預(yù)先設(shè)置在采煤機行走輪報警裝置中的預(yù)報警值時，采煤機行走輪報警裝置發(fā)出預(yù)報警信號；當BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果超出了預(yù)先設(shè)置在采煤機行走輪報警裝置中的報警值時，報警裝置發(fā)出報警信號。

本發(fā)明配置簡潔、檢測過程簡單；不需要人為參與，適用于在惡劣的礦井下工作，能夠通過惰輪輸出軸上的MEMS傳感器檢測得到行走輪在運行過程中各種運動學和動力學參數(shù)；可以得出正確的磨損量數(shù)據(jù)并實時作出響應(yīng)，及時正確判斷行走輪是否為正常工作狀態(tài)并作出應(yīng)對，能夠避免嚴重生產(chǎn)事故的發(fā)生。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)配合示意圖；

圖2是本發(fā)明采煤機行走箱整體側(cè)面示意圖；

圖3是磨損量檢測裝置連接圖；

圖4行走輪磨損量檢測方法流程圖；

圖5是圖1中A處放大后根據(jù)擬合曲線計算磨損量的示意圖；

圖6是載體坐標系與采煤機關(guān)系的示意圖；

圖中，1、行走輪；2、MEMS傳感器；3、惰輪；4、惰輪輸出軸；5、惰輪端蓋；6、行走輪端蓋；7、牽引電機；8、數(shù)控箱；9、銷軌齒。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖所示，一種采煤機行走輪磨損量檢測裝置，包括一MEMS傳感器2，所述MEMS傳感器2設(shè)置在惰輪輸出軸4端面的安裝槽內(nèi)，惰輪輸出軸4上安裝惰輪3，惰輪3外設(shè)有惰輪端蓋5，所述MEMS傳感器2上設(shè)有存儲卡，且MEMS傳感器2通過線纜連接至一數(shù)據(jù)接收裝置的輸入端，數(shù)據(jù)接收裝置的輸出端連接至一數(shù)據(jù)處理裝置，所述數(shù)據(jù)接收裝置和數(shù)據(jù)處理裝置設(shè)置在數(shù)控箱8中；所述惰輪3與采煤機行走輪1嚙合，行走輪1外覆蓋行走輪端蓋6，所述行走輪1與刮板輸送機的銷軌齒9嚙合。

具體原理：MEMS傳感器2安裝在與行走輪1嚙合的惰輪輸出軸4上，因為齒輪嚙合傳動是剛性傳動，所以安裝在惰輪輸出軸4上的MEMS傳感器2可以用來檢測行走輪1在運行過程中各種運動學和動力學參數(shù)。MEMS傳感器2采集數(shù)據(jù)存儲后，通過線纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收裝置。數(shù)據(jù)接收完成后，數(shù)據(jù)接收裝置不再接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)處理裝置，通過算法處理，獲得行走輪1的加速度數(shù)據(jù)及兩次積分后的位移信息，得到行走輪1的運行工況及磨損量。數(shù)據(jù)處理單元將磨損量與預(yù)先設(shè)置在數(shù)據(jù)處理單元中的磨損量極值比較，判斷磨損量是否超過極值，不超過極值，正常工作，繼續(xù)檢測；否則，提醒人為維修或更換行走輪1。

進一步的，還包括一采煤機行走輪報警裝置，所述數(shù)據(jù)處理裝置的輸出端通過線纜連接至采煤機行走輪報警裝置。數(shù)據(jù)處理裝置得出磨損量后，將數(shù)據(jù)傳輸至采煤機行走輪報警裝置，若磨損量超出了預(yù)先設(shè)置在采煤機行走輪報警裝置中的報警值時，報警裝置發(fā)出報警信號。

優(yōu)選的，為了保護傳感器不受損傷，所述MEMS傳感器2外設(shè)有金屬蓋。

優(yōu)選的，所述MEMS傳感器2為IMU慣性測量單元。IMU慣性測量單元是一種由三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器組成的傳感部件，可以精確檢測行走輪1在運行過程中各種運動學和動力學參數(shù)。

優(yōu)選的，所述MEMS傳感器2由放置在數(shù)控箱8中的電池通過線纜供電。

優(yōu)選的，所述存儲卡是UFS2.0及以上高速存儲卡，存儲卡連接至MEMS傳感器2的存儲卡接口，可以快速存儲大量數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，為了數(shù)據(jù)接收裝置與MEMS傳感器2的連接更加方便，所述數(shù)據(jù)接收裝置是具有線纜接口的大容量存儲器。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理裝置是具有高速處理能力的微處理器。

優(yōu)選的，所述數(shù)控箱8設(shè)置在牽引電機7一側(cè)。

優(yōu)選的，為了保證使用安全，所述線纜為井下通訊線纜，所述井下通訊線纜從MEMS傳感器2引出后，沿牽引電機7邊緣布置，接入到數(shù)控箱8內(nèi)。

采煤機行走輪的磨損量檢測預(yù)警方法，包括如下步驟：

(1)行走輪1的磨損量參數(shù)是通過加速度數(shù)據(jù)確定的，加速度的獲得需要各個坐標系之間的關(guān)系來確定。

定義計算行走輪磨損量所需的坐標系，導航坐標系O_nx_ny_nz_n為計算的基準坐標系，原點在采煤機的端頭處，x_n軸平行于采煤機工作面水平指向機身右側(cè)，y_n軸指向液壓支架且垂直于采煤機工作面，z_n軸沿著地垂線方向指向上方，導航坐標系記為n系；行走輪坐標系O_bx_by_bz_b與行走輪固連，原點在行走輪惰輪軸的中心處，x_b軸沿采煤機工作面水平方向指向機身右側(cè)，y_b軸沿垂直于采煤機機身方向指向液壓支架，z_b沿采煤機豎軸向上；行走輪坐標系計為載體坐標系b系；

(2)MEMS傳感器2檢測獲得加速度數(shù)據(jù)a(t)，將加速度數(shù)據(jù)存儲下來并通過井下通訊線纜傳輸至數(shù)據(jù)接收裝置，數(shù)據(jù)接收完成后，將數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)處理裝置，經(jīng)Kalman濾波處理后，對利用MEMS傳感器2獲得的方向余弦矩陣進行姿態(tài)解算，將載體坐標系中定義的加速度左乘方向余弦得到導航坐標系中的加速度aⁿ；

(3)對aⁿ進行頻域積分，進行頻域積分會減少由于時間累積產(chǎn)生的積分誤差，基本原理是，首先將需要積分的信號作傅里葉變換，然后將變換結(jié)果在頻域里進行積分運算，最后經(jīng)傅里葉逆變換得到積分后的時域信號：

根據(jù)傅里葉變換的公式，加速度信號在任一頻率的傅里葉分量可以表達為

a(t)＝Ae^jωt，

式中：a(t)為加速度信號在頻率ω的傅里葉分量，A為對應(yīng)a(t)的系數(shù)，j為虛數(shù)；

初速度分量為0時，對加速度信號分量進行時間積分可以得出速度信號分量，即

式中：v(t)為速度信號在頻率ω的傅里葉分量，V為對應(yīng)v(t)的系數(shù)；

由于一次積分在頻域里關(guān)系式為：

當初速度和初位移分量均為0時，對加速度信號的傅里葉分量兩次積分可得出位移分量：

式中：s(t)為位移信號在頻率ω的傅里葉分量，S為對應(yīng)s(t)的系數(shù)。

(4)將兩次積分后的位移信息，進行傅里葉逆變換可得到時域的位移信息，即行走輪1嚙合點的位置信息；由載體坐標系可知，需要檢測和計算的磨損量發(fā)生在x_bz_b平面內(nèi)，所以y_b方向上的位移可以忽略，在一對齒嚙合時間內(nèi)，將s(t)記為s₁(x₁，z₁)，s₂(x₂，z₂)，s₃(x₃，z₃)……s_n(x_n，z_n)，根據(jù)這n個點，通過最小二乘法多項式曲線擬合原理和方法擬合出行走輪嚙合齒的輪廓曲線；

(5)在下一對齒嚙合的時候，重復(fù)計算與擬合，直至行走輪轉(zhuǎn)動一圈后，即可以擬合出行走輪嚙合齒的輪廓曲線；

(6)行走輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動過程中，循環(huán)計算與擬合曲線，通過將每一圈轉(zhuǎn)動的輪廓曲線與之前轉(zhuǎn)動一圈的輪廓曲線對比即獲得行走輪1的磨損量；

(7)數(shù)據(jù)處理裝置采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同的磨損量作為訓練數(shù)據(jù)并進行分類，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果作為控制指令輸送至采煤機行走輪報警裝置，當BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果達到預(yù)先設(shè)置在采煤機行走輪報警裝置中的預(yù)報警值時，采煤機行走輪報警裝置發(fā)出預(yù)報警信號；當BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果超出了預(yù)先設(shè)置在采煤機行走輪報警裝置中的報警值時，報警裝置發(fā)出報警信號。