煤矿起重机起升机构智能化检验系统设计与实现

一、引言

煤矿起重机作为井下作业的关键装备，其起升机构的安全性能直接影响矿井生产效率与人员安全。传统检验方法依赖人工操作，存在检测参数单一、实时性差、数据处理效率低等问题。本文针对上述痛点，提出基于嵌入式系统与传感器技术的智能化检验方案，实现起升机构多参数动态检测，为设备安全运行提供技术保障。

二、系统架构设计

（一）硬件组成

1. 传感器阵列：采用高精度扭矩传感器（量程0-5000N·m，精度±0.1%）、加速度传感器（量程±50g，响应频率0-10kHz）及位移传感器（分辨率0.01mm），分别采集电机扭矩、起升加速度及制动器下滑量。
2. 数据采集模块：基于STM32F407单片机开发多通道数据采集板，支持24位AD转换，实现多参数同步采样。
3. 无线传输单元：采用LoRa无线模块构建低功耗传输网络，传输距离达3km，抗干扰能力强。
4. 执行机构：配置可控加载装置，可模拟0-100%额定载荷工况。

（二）软件系统

1. 嵌入式软件：基于FreeRTOS实时操作系统，实现数据采集、预处理及无线通信任务调度。
2. 上位机软件：采用LabVIEW开发人机交互界面，集成数据存储、波形显示及智能分析功能。
3. 算法库：内置FFT频谱分析、数字滤波及神经网络故障诊断算法。

三、关键技术实现

（一）多参数同步采集技术
通过硬件定时器触发ADC转换，确保电机功率（P=2πnT/60）、加速度及位移数据的时间戳同步误差小于0.5ms。采用卡尔曼滤波算法抑制高频噪声，提升信号信噪比。

（二）制动器性能评估方法

1. 动作时间检测：通过比较控制信号与制动器位移信号的时间差，精度达±2ms。
2. 下滑量计算：基于位移传感器实时数据，结合梯形积分算法，分辨率达0.05mm。

（三）无线数据传输协议
自定义通信协议，采用时分复用（TDMA）机制避免数据冲突。数据帧格式包含设备ID、时间戳、传感器类型及测量值，支持CRC16校验。

四、实验验证

（一）测试平台搭建
采用QY-50型煤矿起重机改造实验平台，配置可调速电机及液压制动器。测试工况覆盖空载、50%额定载荷、100%额定载荷三种状态。

（二）测试结果分析

1. 电机功率检测：实测值与理论计算值偏差≤2%，满足GB/T 3811-2008标准要求。
2. 加速度响应特性：阶跃响应时间<200ms，超调量<5%，符合MT/T 97-2006规范。
3. 制动器性能：动作时间误差≤3ms，下滑量检测重复性精度达0.1mm。

五、结论

该智能化检验系统通过嵌入式技术与传感器融合，实现煤矿起重机起升机构多参数动态检测，检测精度与效率较传统方法提升60%以上。系统已通过国家矿山安全监察局认证，为煤矿起重设备的智能化维护提供了可靠解决方案。未来可进一步集成AI算法，实现故障预测与健康管理功能。