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专利名称：煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法及检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于自动检测技术领域，具体涉及一种在捣固炼焦过程中检测捣固机锤体工作参数的方法，还涉及实施该检测方法的检测装置。
背景技术：
焦炭是一种非常基础的工业原料，在钢铁、化肥和煤化工等工业领域有着不可替代的重要作用。随着焦炭需求量的增长和炼焦用煤的日渐短缺。为了不用或少用主焦煤炼制优质焦炭，在顶装煤炼焦的基础之上又发展了捣固炼焦技术。捣固炼焦是把煤用机械方法捣固夯实成煤墙后，从焦炉侧面装入碳化室的炼焦技术。由于这种方法可以使用低成本的弱粘结性煤生产焦炭，同时还可以提高焦炭的品质和产量，因此近年来得到了快速发展。在捣固炼焦过程中，煤墙的机械强度和堆密度是保证煤饼质量的重要参数，它将直接影响炼焦的效率和焦炭产品的质量。原煤经捣固后强度增加，堆密度也可由散装煤的 0. 72t/m3提高到1. 10 1. 15t/m3。而保证这些重要工艺参数的基础是输入到单位煤料的捣固功。而所谓捣固功是在捣固锤反复捶打煤箱中煤料时向煤墙输入的能量。因此，对煤箱中煤料进行捣固夯实的捣固机是捣固炼焦的关键设备，它的先进性和可靠性直接影响捣固炼焦的技术水平。捣固机主要由捣固锤、传动装置、提锤装置、走行装置、润滑系统和电控操作装置等6大部分构成。工作时电动机在电控系统控制下，通过机械传动驱动提锤装置，利用摩擦力将捣固锤上抛，到达顶点后捣固锤自由落体砸向煤墙，向煤墙输入捣固功。通过反复的加煤和提锤捣固，煤墙的高度和强度不断增长，最终达到进入碳化室进行焦炭生产的技术指标要求。捣固炼焦中提升捣固锤的具体方法有多种，但是都具备用能量将捣固锤上抛，利用锤体落下产生的冲击动能夯实煤墙的特点。煤墙捣固过程中必须对捣固锤是否正常上下运动进行监视。因为捣固机工作中可能受设备故障、机械磨损和煤料输入量等因素的影响，导致工作中提锤装置不能正确的将捣固锤提起，引起捣固锤上抛高度不足或者完全不能上抛的故障。一旦出现这种现象就会对捣固机的工作造成重大影响，轻则捣固输入功不足煤墙强度不高，重则捣固锤被不断加入的煤料掩埋酿成重大“埋锤”事故。在煤墙捣固过程中还必须对煤墙的高度进行检测，当煤墙高度不增长或增长缓慢时需要输出给料机异常信号；当煤墙高度增长到达预设值后，需要停止加煤并输出捣固完成信号。由于没有成熟可靠的检测技术，目前煤墙捣固状态的监测主要依靠人工现场观察实现。焦炉生产现场的高温、粉尘、有害气体和露天工作环境使得操作工人的劳动强度极高，并且经常发生因工作疏忽或观察不准确引起的煤墙倒塌和设备事故，极大的影响了焦炉的安全生产和工作效率。为了解决煤墙捣固过程中的状态检测问题，近年来国内外厂家也研究了一些检测技术和方法。
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目前常用的测量捣固锤运动状态的方法有弹性接触轮测量技术。该技术利用弹簧板将一个摩擦轮压紧在捣固锤的锤杆上， 当捣固锤上下运动时摩擦轮随之转动，然后通过光电编码器等设备测量摩擦轮的转动情况，从而间接测量捣固锤的运动状态。由于捣固现场的机械振动很大，摩擦轮在锤杆上很容易发生跳动，导致测量结果很粗糙不准确。由于该方法为接触式测量，摩擦轮在长期工作中的磨损和现场煤粉的附着都会降低摩擦轮与锤杆的摩擦系数，导致测量系统因打滑而无法工作。目前常用的煤墙高度测量方法有捣固结束后可以通过多种测量方法，包括超声测距、雷达测距和红外光学测距等技术测量煤墙高度。但是在捣固过程中，多个捣固锤反复上下捶打煤墙，导致上述测量方法因受到强烈干扰或遮挡而无法工作。因此目前还没有成熟的用于捣固过程中实时测量煤墙高度的方法，现有方法只能在捣固完成，捣固锤升起后才能实现检测，因此在目前的捣固焦生产中主要还是依靠人工观察和手动操作来保障捣固机的正常工作。

发明内容
本发明的目的是提供一种煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，以测量捣固锤加速度为核心，进而得到捣固锤起抛高度、捣固功和煤墙高度多个参数，以满足捣固锤工作状态的实时检测，解决了依赖人工现场观察的弊端。本发明的另外一个目的是提供实施上述方法的检测装置，结构简单，测量结果直接准确，不受工作现场粉尘和振动的影响。本发明所采用的技术方案是，一种煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，其特征在于，在煤焦炉捣固机工作过程中，实时测量捣固锤的加速度α (t)，对测得加速度α (t) 进行数据处理，获得捣固锤的运动速度V (t)和运动高度H(t)，再根据运动高度H(t)在第η 个捣固周期T的最大极值H(t)Max和最小极值H(t)Min，并根据两者差值求得捣固锤在该捣固周期T的捣固锤起抛高度ΔΗ(η)，将该捣固锤起抛高度ΔΗ(η)与预设起抛高度阈值进行比较，就能得到捣固锤是否处于正常工作状态的判断结果。进一步地，根据捣固锤在第η个捣固周期T的捣固锤起抛高度ΔΗ(η)，计算捣固锤在该捣固周期T输入的捣固功& = mgAH(n)，m为捣固锤质量，g为当地的重力加速度。进一步地，定义第η个捣固周期捣固测量的煤墙等效硬度为HV= aMax(n)/ Δ H(η)，用以评价煤墙的机械强度和煤墙堆密度。更进一步地，通过固定安装在捣固锤上的信号发射装置，同时向外发送无线射频通讯信号和超声波信号，再根据外部信号接收装置接收到的无线射频通讯信号和超声波信号之间的传输时间差，计算得到煤焦炉捣固机的煤箱内煤墙的实时高度，当该煤墙实时高度不增长或增长速度不在预设阈值时，则判断捣固机加料异常；在该煤墙实时高度达到预设值时，则判断捣固工作完成。当捣固锤落在煤墙上并等待下次起抛时，信号发射装置同时向外发送无线射频通讯信号和超声波信号。煤墙实时高度的计算方法为超声波信号的传输速度为V，接收到的无线射频通讯信号和超声波信号之间的传输时间差为Δ Τ，捣固锤的锤头触及煤箱底部时信号发射装置与信号接收装置的距离为Ltl，则煤墙高度L = Ltl-Δ TX V。本发明所采用的另一技术方案是，一种煤焦炉捣固机锤体工作参数检测装置，其特征在于，包括固定安装在捣固锤上的检测与发射装置，检测与发射装置包括发射端电源、 加速度传感器、发射端微控制器以及信号发射装置，发射端电源分别与加速度传感器、发射端微控制器以及信号发射装置相连接，发射端微控制器分别与信号发射装置以及加速度传感器相连接；还包括接收装置，接收装置包括接收端电源、信号接收装置以及接收端微控制器， 接收端电源分别与信号接收装置以及接收端微控制器相连接，信号接收装置与接收端微控制器连接。信号发射装置包括无线发射�？椋藕沤邮兆爸冒ㄎ尴呓邮漳？�。或者，信号发射装置包括无线发射模块和超声波发射�？椋藕沤邮兆爸冒ㄎ尴呓邮漳？楹统ń邮漳？�。接收端电源、超声波接收�？�、无线接收�？橐约敖邮斩宋⒖刂破骶沧霸诮邮斩丝翘逯校邮斩丝翘灏沧霸诘饭檀傅纳戏剑环⑸涠说缭�、超声波发射�？�、无线发射�？�、 加速度传感器以及发射端微控制器均安装在发射端壳体中，发射端壳体嵌入安装在捣固锤的顶部。发射端电源为电池或者磁浮式振动发电装置，磁浮式振动发电装置包括两个固定磁铁、振动磁铁、线圈以及发射端电源壳体，两个固定磁铁分别安装在发射端电源壳体的上下两端，振动磁铁悬浮设置在发射端电源壳体内部的中心空腔里，线圈缠绕设置在发射端电源壳体的外部。本发明检测方法的有益效果是以测量捣固锤加速度为核心，经数据处理后得到捣固锤起抛高度或捣固功，再通过将该两参数与预设参数阈值的比较，就能得到捣固锤是否处于正常工作状态的判断结果，解决了现有技术中工作状态判断依赖人工现场观察的弊端。另外，根据捣固锤冲击煤墙时加速度最大的特点，并利用检测与发射装置测量加速度的优势，在捣固锤夯实煤墙时同时发射无线射频通讯信号和超声波信号，根据传输时间差测量锤体位置。将煤墙高度的测量问题转化为夯实煤墙时捣固锤的位置测量问题，实现了捣固过程中煤墙高度的实时测量，并实现捣固机加料异常的判断以及捣固工作是否完成的判断。本发明检测装置的有益效果是1、通过把加速度传感器直接安装在捣固锤锤体上，在工作的时候随捣固锤同步运动实现测量，使锤体工作参数的测量结果更直接更准确。2、检测与发射装置在独立、封闭的发射端壳体内部实现检测，与外部环境和其它设备没有机械接触。因此，测量不受捣固机工作环境中粉尘和振动的影响，也没有长期工作中的磨损问题，具有较高的适应性和稳定性。3、能同时完成捣固锤起抛高度、捣固功和煤墙高度多个参数测量的功能，具有实用高效的特点。4、利用捣固机的直线运动特点设计了磁浮式振动发电装置，从捣固锤锤体的上下运动中获取能量，并转化为电能供为超声波发射�？�、无线发射�？�、加速度传感器以及发射端微控制器供电，解决了设备长期工作中的能量供给问题，节约能源。


图1是本发明检测装置的结构示意图；图2是本发明检测装置中接收装置的结构框图；图3是本发明检测装置中检测与发射装置的结构框图；图4是本发明检测装置中磁浮式振动发电装置的结构示意图；图5是本发明中获得捣固锤锤体正常工作时的加速度时间曲线和速度时间曲线图。其中，1.接收装置，1-1.接收端电源，1-2.超声波接收�？椋�1-3.无线接收�？椋�
1-4.接收端微控制器，2.检测与发射装置，2-1.发射端电源，2-2.超声波发射模块，2-3. 无线发射�？椋�2-4.加速度传感器，2-5.发射端微控制器，3.给煤机，4.捣固锤，5.煤墙， 6.煤箱，7.提锤电机，8.固定磁铁，9.线圈，10.振动磁铁，11.发射端电源壳体。
具体实施例方式如图1、图2和图3所示，煤焦炉煤墙捣固系统包括捣固锤4、煤墙和提锤电机7，该捣固机的一侧设置有给煤机3。本发明煤焦炉捣固机锤体工作参数检测装置，包括接收装置 1和检测与发射装置2。接收装置1包括接收端电源1-1、信号接收装置以及接收端微控制器1-4。检测与发射装置2包括发射端电源2-1、加速度传感器2-4、发射端微控制器2-5以及信号发射装置。其中，信号发射装置包括无线发射�？�2-3，信号接收装置包括无线接收�？�1-3。为了计算煤焦炉捣固机的煤箱6内煤墙5的高度，信号发射装置还包括超声波发射�？�2-2， 信号接收装置还包括超声波接收�？�1-2。接收端电源1-1分别与超声波接收模块1-2、无线接收�？�1-3以及接收端微控制器1-4相连接，接收端微控制器1-4分别与超声波接收模块1-2以及无线接收�？�1-3相连接。为保证本装置检测结果不受工作现场粉尘和湿气等环境因素的影响，接收端电源1-1、 超声波接收�？�1-2、无线接收�？�1-3以及接收端微控制器1-4均安装在接收端壳体中， 接收端壳体安装在捣固锤4的上方。发射端电源2-1分别与超声波发射�？�2-2、无线发射�？�2-3、加速度传感器2-4 以及发射端微控制器2-5相连接，发射端微控制器2-5分别与超声波发射�？�2-2、无线发射模块2-3以及加速度传感器2-4相连接。为保证本装置检测结果不受工作现场粉尘和振动等条件的影响，发射端电源2-1、超声波发射模块2-2、无线发射�？�2-3、加速度传感器
2-4以及发射端微控制器2-5均安装在发射端壳体中，发射端壳体嵌入安装在捣固锤4的顶部。本实施例中选用各器件型号如下加速度传感器2-4 :MMA6271型，测量范围士 IOg ；接收端微控制器1-4 :MC9SDG128型；发射端微控制器2-5 :MSP430F247型；无线接收�？�1-3和无线发射�？�2-3 :RF905SE型，工作在ISM频段433MHz ；超声波接收模块1-2和超声发射�？�2-2 :NU25C16T/R-1型(收/发两用)，工作频率2^(Hz。发射端电源2-1为电池或者磁浮式振动发电装置。如图4所示，磁浮式振动发电装置包括两个固定磁铁8、振动磁铁10、线圈9以及发射端电源壳体11，两个固定磁铁8分别安装在发射端电源壳体11的上下两端，振动磁铁10悬浮设置在发射端电源壳体11内部的中心空腔里，线圈9缠绕设置在发射端电源壳体11的外部。捣固锤4开始工作后，磁浮式振动发电装置采用磁悬浮方法将振动磁铁10悬浮于空中，采用两个固定磁铁8之间的互斥力进行蓄能和反弹，因此发射端电源2-1的发电效率高。本实施例中，磁浮式振动发电装置的电气参数为线圈9匝数5000匝；导线直径 0. 2mm ；振动磁铁10高斯数0. 5T，重量52克，两个固定磁铁8的高斯数为0. 3T。在捣固锤 4正常工作时，采取该电气参数的磁浮式振动发电装置能提供足够的电能供应。本发明煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法在煤焦炉捣固机工作过程中，通过加速度传感器2-4实时测量捣固锤4的加速度α (t)，并将测得值传输给发射端微控制器 2-5。发射端微控制器2-5通过内置的A/D变换器测量加速度传感器2-4的输出(也可采用数字接口测量)，测量频率不低于100次/s，当加速度数值变化超过系统预设阈值后启动参数计算程序，对测得加速度α (t)进行数据处理，获得捣固锤4的运动速度V(t)和运动高度H(t)，再根据运动高度H (t)在第η个捣固周期T的最大极值H(t)Max和最小极值H (t) Min，并根据两者差值求得捣固锤4在该捣固周期T的捣固锤起抛高度ΔΗ(η)。将该捣固锤起抛高度ΔΗ(η)与预设起抛高度阈值进行比较，就能得到捣固锤4是否处于正常工作状态的判断结果。其中，每个周期T内的加速度最大值为α max = Max(a(t))t = O-T ；贝Ij 捣固锤4的运动速度V(t) .ν{ = \[α{“0-厂捣固锤4的运动高度H(t)
Η{ = \[ν{ ' = o-r，其中，t为时间，τ为捣固机的捣固周期。捣固机捣固周期为由
捣固机提锤装置的速度决定，在捣固机正常工作中是已知且恒定的。图5所示为捣固锤正常工作时，加速度传感器2-4测量获得的加速度时间曲线，以及根据该加速度时间曲线计算得到的速度时间曲线。该加速度时间曲线向上的尖脉冲为捣固锤4撞击煤墙5时的冲击加速度，图中用a线标识。每周期a线与b之间的一段加速度区间是提锤装置上抛捣固锤时的加速度，b线后的一段加速度为捣固锤自由落体时受到的重力加速度，数值大约为-Ig左右，g为当地的重力加速度，此段数据上的噪声是由捣固锤下落时磕碰机架所引起的。由于捣固时捣固锤4的冲击加速度有明显突变，因此也可从测量数据中获取该捣固周期。同时，发射端微控制器2-5根据捣固锤4在第η个捣固周期T的捣固锤起抛高度 Δ H(η)，计算捣固锤4在该捣固周期T输入的捣固功& = mgAH(n)，m为捣固锤4质量，g 为当地的重力加速度。将捣固功与预设捣固功阈值进行比较，也能得到捣固锤4是否处于正常工作状态的判断结果，或者实现对加料速度是否异常的检测。另外，能进一步计算得到
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煤墙5累计输入的捣固功率为·β = ΣΕη
“=1O定义第η个捣固周期捣固测量的煤墙5等效硬度为HV = α Max(n)/AH(n)，该等效硬度HV可以表达煤墙的反弹硬度，该参数直接与煤墙5的机械强度和煤墙堆密度有关，能用于评价捣固过程中煤墙5的机械强度和煤墙堆密度的大小以及变化状态。当捣固锤4落在煤墙5上并等待下次起抛时，捣固锤4加速度将达到最大值。此时，发射端微控制器2-5通过无线发射�？�2-3，将本次捣固周期计算得到的各参数传输给无线接收�？�1-3 ；同时，发射端微控制器2-5控制超声波发射�？�2-2向超声波接收�？� 1-2发射20KHz以上的超声波信号用于距离测量。无线接收�？�1-3将接收到的捣固锤4的运动状态参数以及捣固输入功参数传送到接收端微控制器1-4，供捣固机控制系统使用。超声波接收�？�1-2将接受到的超声波信号传送给接收端微控制器1-4，接收端微控制器1-4根据无线接收模块1-3接收到无线射频通讯信号、与超声波接收�？�1-2接收到超声波信号之间的传输时间差，计算煤焦炉捣固机的煤箱6内煤墙5的高度。煤墙5高度的计算方法为超声波信号的传输速度为V，接收到的无线射频通讯信号和超声波信号之间的传输时间差为Δ T，捣固锤4的锤头触及煤箱6 底部时信号发射装置与信号接收装置的距离为Ltl，则得到煤墙5高度L = L0-ATXVo本发明检测方法和检测装置中，能根据设备需要，选择是否进行煤墙5实时高度的计算功能，其不影响捣固锤起抛高度等参数的获得和计算。
权利要求
1.一种煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，其特征在于，在煤焦炉捣固机工作过程中，实时测量捣固锤的加速度α (t)，对测得加速度α (t)进行数据处理，获得捣固锤 (4)的运动速度V(t)和运动高度H(t)，再根据运动高度H(t)在第η个捣固周期T的最大极值H(t)Max和最小极值H(t)Min，并根据两者差值求得捣固锤(4)在该捣固周期T的捣固锤起抛高度ΔΗ(η)，将该捣固锤起抛高度ΔΗ(η)与预设起抛高度阈值进行比较，就能得到捣固锤(4)是否处于正常工作状态的判断结果。
2.按照权利要求1所述煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，其特征在于，根据捣固锤(4)在第η个捣固周期T的捣固锤起抛高度ΔΗ(η)，计算捣固锤(4)在该捣固周期T输入的捣固功4 = mgAH(n)，m为捣固锤(4)质量，g为当地的重力加速度。
3.按照权利要求2所述煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，其特征在于，定义第η个捣固周期捣固测量的煤墙(5)等效硬度为HV = αΜΜ(η)/ΔΗ(η)，用以评价煤墙(5)的机械强度和煤墙堆密度。
4.按照权利要求1、2或3所述煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，其特征在于，通过固定安装在所述捣固锤(4)上的信号发射装置，同时向外发送无线射频通讯信号和超声波信号，再根据外部信号接收装置接收到的无线射频通讯信号和超声波信号之间的传输时间差，计算得到煤焦炉捣固机的煤箱(6)内煤墙(5)的实时高度，当该煤墙(5)实时高度不增长或增长速度不在预设阈值时，则判断捣固机加料异常；在该煤墙(5)实时高度达到预设值时，则判断捣固工作完成。
5.按照权利要求4所述煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，其特征在于，当捣固锤(4)落在煤墙( 上并等待下次起抛时，信号发射装置同时向外发送无线射频通讯信号和超声波信号。
6.按照权利要求4所述煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，其特征在于，所述煤墙(5)实时高度的计算方法为超声波信号的传输速度为V，接收到的无线射频通讯信号和超声波信号之间的传输时间差为ΔΤ，捣固锤(4)的锤头触及煤箱(6)底部时信号发射装置与信号接收装置的距离为Ltl，则煤墙(5)高度L = k-ΔΤΧν。
7.一种煤焦炉捣固机锤体工作参数检测装置，其特征在于，包括固定安装在捣固锤 (4)上的检测与发射装置O)，所述检测与发射装置( 包括发射端电源0-1)、加速度传感器0-4)、发射端微控制器0-5)以及信号发射装置，所述发射端电源分别与加速度传感器0-4)、发射端微控制器0-5)以及信号发射装置相连接，所述发射端微控制器 (2-5)分别与信号发射装置以及加速度传感器(2-4)相连接；还包括接收装置(1)，所述接收装置(1)包括接收端电源(1-1)、信号接收装置以及接收端微控制器(1-4)，所述接收端电源(1-1)分别与信号接收装置以及接收端微控制器 (1-4)相连接，所述信号接收装置与接收端微控制器(1-4)连接。
8.按照权利要求7所述的煤焦炉捣固机锤体工作参数检测装置，其特征在于，所述信号发射装置包括无线发射�？�0-3)，所述信号接收装置包括无线接收�？�(1-3)；或者，所述信号发射装置包括无线发射�？�(2- 和超声波发射�？�0-2)，所述信号接收装置包括无线接收�？�(1-3)和超声波接收模块(1-2)。
9.按照权利要求8所述的煤焦炉捣固机锤体工作参数检测装置，其特征在于，所述接收端电源(1-1)、超声波接收�？�(1-2)、无线接收�？�(1-3)以及接收端微控制器(1-4)均安装在接收端壳体中，所述接收端壳体安装在捣固锤(4)的上方；所述发射端电源0-1)、超声波发射�？�0-2)、无线发射�？�0-3)、加速度传感器 (2-4)以及发射端微控制器(2- 均安装在发射端壳体中，所述发射端壳体嵌入安装在捣固锤的顶部。
10.按照权利要求6、7、8或9所述的煤焦炉捣固机锤体工作参数检测装置，其特征在于所述发射端电源为电池或者磁浮式振动发电装置，所述磁浮式振动发电装置包括两个固定磁铁(8)、振动磁铁(10)、线圈(9)以及发射端电源壳体(11)，所述两个固定磁铁⑶分别安装在发射端电源壳体(11)的上下两端，所述振动磁铁(10)悬浮设置在发射端电源壳体(11)内部的中心空腔里，所述线圈(9)缠绕设置在发射端电源壳体(11)的外部。
全文摘要
本发明公开了一种煤焦炉捣固机锤体工作参数检测方法，实时测量捣固锤的加速度，进而计算该捣固周期的捣固锤起抛高度和捣固功；通过固定安装在捣固锤上的信号发射装置，同时向外发送无线射频通讯信号和超声波信号，再根据传输时间差，计算煤墙的高度。本发明检测方法，步骤简单，测量直接准确。本发明还公开了实施该方法的检测装置，包括接收装置和安装在捣固锤上的检测与发射装置，接收装置包括接收端电源、超声波接收�？�、无线接收�？橐约敖邮斩宋⒖刂破鳎觳庥敕⑸渥爸冒ǚ⑸涠说缭�、超声波发射�？�、无线发射�？�、加速度传感器以及发射端微控制器。本发明装置结构简单，测量结果直接准确，不受工作现场粉尘和振动的影响。
文档编号G01D21/02GK102538872SQ20111044925
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者赵跃 申请人:赵跃