矿用减速器温度监测与分析

孛一峰

(山西高河能源有限公司，山西 长治 047100)

0 引言

随着现代化矿井的建设与各种机械化、自动化设备以及现代化监测控制系统在煤矿系统的广泛应用，使得煤矿机电设备运行状态的监测与控制得到快速发展。矿用减速器广泛应用在煤矿井下刮板输送机、转载机和皮带输送机等设备中，是煤矿机械传动装置的重要设备，其重要性不言而喻。减速机能否高效可靠地运行对煤矿的生产效率及经济效益有着重要的影响。

减速器内部有用于轴承润滑和油温冷却的润滑油，因此，在轴承轴端需要油封来进行密封，油封材料大部分为丁晴胶和氟橡胶，虽然其规定的许用温度范围较大(一般为-30 ℃～100 ℃)，但长时间处于高温环境会使其老化，从而造成减速器漏油等故障。由于应用于煤矿机械领域的减速器功率大、运转时间长、发热量大，所以需要及时对减速器润滑油的温度进行监测，当温度达到许用最大值时，就必须采取相应措施，如加大冷却水流量或者停机等方法，避免由于润滑油温度过高导致减速器油封和轴承等部位出现老化、磨损失效[1-2]。

目前煤矿井下设备温度检测大多由现场工人采用触摸、简单的红外测温仪等方法进行，受操作人员水平的影响较大，且不能进行有效的反馈，及时对冷却水的流量进行调节，以实现温度的调节。为了克服这些缺点，本文提出了一种基于单片机和温度传感器并采用数字化单总线技术的温度测控系统，用于矿用减速器润滑油温度的监测与控制，它可以对应用于井下输送机减速器的高速轴与油温进行实施监控，并分别对空载与负载两种情况下的减速器温度进行监测。

1 技术指标

减速器性能的好坏直接影响着整机设备的质量。根据MT/T 681—1997煤矿用带式输送机减速器技术条件，应用于煤矿输送机的减速器温度应该符合以下要求：减速器高速轴轴承温度≤70 ℃；减速器油温≤70 ℃。

2 温度监测系统硬件构成

减速器高速轴转速较高，一般与减速器配套的防爆电机转速为1 450 r/min，因此高速轴部位的润滑油温度在减速器中最高，位于高速轴的油封及轴承等零件比其他部位的更容易老化和失效，所以本方案拟仅对减速器高速轴的润滑油温度进行监测，其他部位温度远低于高速轴部位。在减速器箱体中加工螺纹孔，通过温度传感器的螺纹即可将其安装在减速器内部，实现对减速器温度的在线测量，温度传感器在减速器中的安装示意图如图1所示。

图1 温度传感器在减速器中的安装示意图

由于系统需要对减速器中润滑油温进行测量和调节，因此提出采用单片机和单总线系统对减速器高速轴润滑油温度实时监控的方法。这种方法硬件之间的连接非常简单，用单片机任意一并口与单总线连接来实现双向的数据传输，还可通过转换器串行口使单片机与上位计算机连接，可以非常方便地在煤矿井上控制中心计算机平台上进行高级的软件管理与调控。

基于单片机和温度传感器的煤矿井下减速器温度监测与控制系统框图如图2所示，该系统以单片机为核心，由温度传感器、串口通信和流量泵组成一个集温度的采集、处理、显示和自动控制为一体的闭环控制系统[3]。

2.1 温度传感器

温度传感器是对温度进行在线测量的装置。本系统选用的温度传感器是DS18B20，采用了单总线协议，与单片机的接口只占用一个I/O口，连接极为简单，符合煤矿领域简单可靠的准则。同时，它具有微型化、功耗低、性能高、抗干扰能力强等优点。在硬件的连接上，通过变压器将温度传感器DS18B20接外部电源，其GND端接地，温度传感器的I/O与单片机的I/O线相连。

图2 温度监测与控制系统框图

2.2 单片机

单片机顾名思义就是一种集成电路的芯片，采用超大规模集成电路技术把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统等功能集成到一块芯片上。

在工业控制领域广泛应用单片机，采用单片机对温度传感器进行编程，从而读取温度传感器的温度值，并把温度值通过串口通信送入计算机从而实现后续的温度显示与控制。本系统选用了较为常用且经济的51单片机[4]。

2.3 设计思路

该系统的工作原理就是进行单片机编程，使智能温度传感器正常工作，检测矿用减速器高速轴内的润滑油温，并由数字方式实时显示出温度值。如果温度传感器采集的温度值高于上限报警温度，系统将发出报警，并同时增大冷却水流量，使减速器润滑油的温度下降，当油温下降到一定的程度，即低于上限复位值时，减小冷却水流量，达到节能的目的。减速器温度监控系统工作流程如图3所示。

图3 温度监控系统工作流程

减速器内部布置有螺旋状的冷却管，材料为高导热性的紫铜，通过内部的第二轴或者第三轴的转动给外接流量泵提供动力装置。对于大功率减速器，由于其发热量大，自身的冷却水泵不能满足其对温度的控制，需要另外配置流量泵，本文对温度的控制采用外接流量泵，并通过单片机控制其阀门来实现流量的调节，从而实现对减速器内部温度的控制[5]。

3 程序设计及监测结果

3.1 程序设计

根据程序流程，温度传感器开始检测油温，检测到的温度数据通过单总线传输到51单片机并处理，通过I/O口输出到数码管上进行数字显示；如果温度超过设定范围蜂鸣器将报警，同时加大冷却水流量；温度数据通过串口通信发送到上位机，这就实现了减速器高速轴温度的实时监测。

3.2 测量结果

对某减速器进行现场测试，得到了空载、负载和强制冷却情况下减速器高速轴部位温度随时间的变化如图4所示。从图4中可以看到：在空载情况下，减速器温度在120 s左右达到稳定状态，最高温度为85 ℃；在负载的情况下，减速器温度上升比空载状态较快，在100 s左右达到稳定，但稳定后的温度高于空载状态，最高温度为95 ℃。

根据第一节所述的MT/T 681—1997 煤矿用带式输送机减速器技术条件，减速器温度应不超过70 ℃，所以需要对该减速器内部温度进行控制，通过采取强制冷却的方法进行冷却。从图4可以看到，当减速器处于强制冷却时，在90 s左右达到稳定，最高温度为66 ℃，符合减速器温度标准要求。

图4 减速器空载、负载和强制冷却时温度随时间的变化

4 结语

本文提出了一种基于单片机、温度传感器和流量泵的矿用减速器温度在线测量与控制的方法，通过对减速器温度的监测以及对冷却水流量的调节来实现对减速器油温的控制。通过现场实验，对空载、负载和强制冷却三种情况下的减速器温度进行监测，对比分析结果表明：该方法简单易行，对其他领域的温度监测同样有着借鉴意义。

参考文献：

[1] 张玉伟，姚红玲.基于STC单片机的煤矿智能温湿度控制器的设计与实现[J].煤炭技术，2013(11):72-73.

[2] 张菁.单片机温度控制系统方案的研究[J].上海交通大学学报，2007，41(1):142-144.

[3] 张开生，郭国法.MCS-51单片机温度控制系统的设计[J]. 微计算机信息，2005(7):68-69.

[4] 夏大勇，周晓辉，赵增，等. MCS-51单片机温度控制系统[J].工业仪表与自动化装置，2007(1):43-46.

[5] 吕俊亚.一种基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].计算机仿真，2012，29(7):230-233.