基于壓電振動俘能的自供電刮板輸送機張力檢測系統*

張　強，王海艦，毛　君，張東升，袁　智

（1.遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧阜新123000；2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連116023；3.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京100011；4.四川理工學院材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川自貢643000）

基于壓電振動俘能的自供電刮板輸送機張力檢測系統*

張強1，2，4*，王海艦1，毛君1，張東升1，袁智3

（1.遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧阜新123000；2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連116023；3.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京100011；4.四川理工學院材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川自貢643000）

為實現對刮板輸送機運行過程中鏈條張力的有效檢測，克服供電模塊需要定期拆卸更換的難題，提出了一種基于壓電振動俘能自供電的刮板輸送機張力檢測系統。通過采集刮板運行過程中產生的振動能量實現電能的有效轉換，保證張力檢測裝置和無線信號發射裝置長期有效工作。通過系統多個周期張力檢測實驗結果表明，檢測系統自供電性能穩定；截取103 s的單周期進行分析，刮板經過鏈輪時的最大張力峰值為274.2 kN，通過計算兩端部嚙合點張力的差值得到下邊鏈的運行阻力為12 kN，測試結果符合現場實際工況，表明系統具有較高的檢測精度及可靠性。

傳感器應用；張力檢測；壓電；刮板輸送機；振動；自供電

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.012

刮板輸送機是綜采工作面主要的動力運輸裝置［1］，刮板鏈作為刮板輸送機的核心部件，對刮板輸送機的工作性能具有至關重要的影響。刮板鏈張力過大或過小都會對刮板輸送機的安全穩定運行造成不利影響。刮板鏈自身具有一定的彈性和粘性，在運行過程中，刮板要克服很大的摩擦阻力，長時間的重載荷工作會導致刮板鏈產生彈性伸長，降低整個刮板輸送機系統的張緊力，容易造成卡鏈、斷鏈以及跳鏈等事故［2-3］；而張力過大則會增大刮板輸送機自身運行的阻力，增大自身的功耗，因此，對刮板輸送機運行過程中刮板鏈的張力進行實時檢測，為技術人員進行維護保養提供可靠的檢測數據，對保證刮板輸送機的長期安全穩定運行和延長使用壽命具有重大意義。

近年來，針對刮板輸送機刮板鏈的張力問題，許多專家學者展開了深入的研究。許兆棠［4］根據刮板鏈張力與強度的關系，采用理論計算方法近似計算出繞出驅動鏈輪處刮板鏈的張力值。毛君、李惟康等［5-7］綜合考慮鏈條的非線性、輸送機中部槽的彈性和間隙、鏈輪與鏈條嚙合特性等多個因素構建刮板輸送機的動力學模型，得到不同工況下的鏈條張力分布，設計了一種刮板輸送機鏈條張力的自動控制系統。龔尚福［8］提出了一種基于滑?？刂频墓伟遢斔蜋C鏈條張力控制方法，改善了張力控制系統的動態性能。以上對刮板鏈張力的研究普遍側重于理論計算與控制調節方面，并沒有實現對刮板鏈的實時動態張力進行檢測。

針對這一瓶頸問題，提出了一種基于壓電振動俘能自供電的刮板鏈張力實時在線檢測系統。通過對銜接處的刮板和圓環鏈進行改造處理，采用微應變檢測原理實現對刮板鏈運行過程中張力變化的實時檢測，同時在刮板內部放置壓電俘能裝置［9］和無線信號發射裝置，實現檢測系統的自供電以及檢測信號的無線收發，保證檢測系統的長期連續作業運行，避免由于更換供電模塊需要頻繁拆卸刮板而導致傳感器等精密件損壞的問題。

1　檢測系統模型與測試標定

1.1張力檢測系統結構及原理

刮板輸送機的作業環境比較復雜，因此張力檢測系統的設計與安裝要綜合考慮各方面因素，筆者在保證刮板和鏈環載荷強度的基礎上，在兩者結合處改造和安裝張力檢測系統，其結構和安裝方法如圖1所示。將刮板上端部和下端部分別進行布線開孔和開槽結構改造，上端部線槽用于安裝供電和通訊線纜，下端部開槽主要用于安裝壓電俘能裝置和無線信號發射裝置，將與刮板嚙合的兩鏈環外側銑平后粘貼應變片，并做保護處理，使刮板與鏈環準確嚙合，保證刮板輸送機張力檢測的精度。

圖1　張力檢測系統結構及安裝方法

刮板輸送機在工作過程中其刮板受載荷或摩擦影響會產生較為劇烈的連續振動，壓電俘能裝置受到振動激勵產生電能，為張力檢測應變片和無線信號發射裝置提供電能，應變片通過無線信號收發裝置將檢測到的實時張力變化遠傳給上位機張力信號采集系統，完成信號的后期分析和處理，實現對刮板輸送機實時運行張力的監測，其張力檢測原理如圖2所示。

圖2　刮板輸送機張力檢測原理

1.2系統張力標定

為了保證刮板輸送機張力檢測的精度，在張力檢測傳感器安裝之前需要進行張力標定［10-11］。由于檢測系統主要針對刮板鏈的張力檢測而不是確定各點的應力分布情況，因此，采用直接標定法對張力檢測系統進行標定。為了最大程度的保證標定數據的準確性，刮板、鏈環以及傳感器的安裝和受力位置要與其實際工況保持一致，每次加載值的增幅不要過大，取100 kN為宜。標定時加載值應按照升序或降序有序加載，同一加載值條件下應進行多次測試，取其應變量的平均值。得到的張力傳感器標定數值如表1所示。

表1　鏈環張力傳感器標定數值

根據表1鏈環張力傳感器標定數值，采用Maltab編程求解方法得到刮板鏈張力的二次擬合公式為:

F1=-1.84e-5×ch12+0.285×ch1-260.3（1）

式中:ch1為實際測試的張力微應變值，單位為με，F1為實際檢測的張力值，單位為kN。

刮板鏈張力標定的二次擬合曲線如圖3所示。

圖3　刮板鏈張力標定二次擬合曲線

2　壓電振動俘能器

由于張力檢測傳感器和無線信號發射模塊安裝在刮板和鏈環中，在刮板輸送機作業過程中隨刮板和鏈環連續旋轉移動，因此無法采用線纜實現長期供電。張力的檢測需要長期不間斷的連續檢測，如果采用電源模塊進行供電，需要經常拆卸刮板進行電源模塊的更換，不但操作起來工序復雜，而且反復的拆卸容易造成張力傳感器和無線信號發射模塊等精密件的損壞和檢測精度的降低，鑒于以上問題，采用了一種基于壓電振動俘能的自供電方法，實現張力傳感器和無線信號發射裝置的長期、穩定供電。

2.1壓電振動俘能結構及原理

張力檢測系統中的主要能耗裝置為應變片及無線信號發射裝置，考慮到刮板開槽的垂直空間高度尺寸較小，水平空間尺寸相對寬松，因此采用多振子水平排列并聯方式構建壓電俘能系統，其結構示意圖如圖4所示。

圖4　多振子水平排列并聯壓電振動俘能器結構圖

壓電振動俘能器主要由質量塊M、支撐彈簧、施力桿、限位彈簧、封裝外殼以及由壓電瓷片、基板以及連接卡組成的多個壓電振子組成［12］。施力桿作用于壓電瓷片的中心位置，其直徑遠小于壓電瓷片的直徑，因此施力桿施加在壓電瓷片上的載荷可視為中心載荷。支撐彈簧用于保證壓電振子在非工作狀態下不受質量塊M的作用以及限制工作狀態下壓電振子所受的載荷強度。限位彈簧的作用有兩個，一是在質量塊M振動過程中限制壓電振子的形變量；二是在刮板運行過程中，當壓電俘能器處于倒置狀態時，支撐施力桿來克服質量塊M所受的重力影響，避免換向過程中對壓電振子產生較大沖擊導致壓電瓷片損壞。壓電振動俘能器的結構尺寸及工作參數如表2所示。

表2　壓電振動俘能器結構尺寸及工作參數

刮板輸送機在運行工作過程中，刮板會產生較大的振動，質量塊M受刮板垂直振動的激勵而產生上下往復運動，通過施力桿對多個壓電振子施加拉壓力，使壓電振子產生彈性形變，在此過程中能量由機械能轉換為電能［13-15］。

2.2壓電性能分析

獲取高效電能和保證供電的持續性與穩定性是壓電振動俘能器的重要性能指標［16-18］，圖5為多振子并聯壓電振動俘能器系統的能量收集電路圖，以多壓電振子并聯振動能量采集系統與整流橋、濾波電容以及蓄電池構成交流-直流的電能收集與存儲系統。

圖5　多振子并聯壓電振動俘能器能量收集電路圖

刮板輸送機在運行過程中，刮板在不同位置的振動幅度是不同的，圖6為刮板在不同運行位置的振動加速度微應變特性曲線。

圖6　刮板不同運行位置振動加速度微應變曲線

由圖6測試曲線可以看出，刮板在上、下端部水平運行過程中，由于受摩擦阻力等條件影響，運行過程中會產生較大振動，此時，刮板內部壓電俘能器的質量塊M受刮板振動影響，施力于多個壓電振子，產生較大的電能，通過整流電路轉換后對張力應變片和無線信號發射裝置進行供電，并將部分電能通過蓄電池進行存儲，其供電方式如圖7（a）所示；當刮板經過兩端的鏈輪時，刮板與鏈輪充分嚙合，并受到張緊力的作用，刮板的振動很小，趨近于0，此時蓄電池釋放存儲的壓電振動能量對負載進行供電，如圖7（b）所示。

圖7　刮板不同位置狀態的供電方式

通過實驗測試得到多振子水平排列并聯壓電振動俘能器最佳工作頻率為92 Hz，振動幅度為66.8 nm。圖8為刮板運行過程中不同位置的負載功率隨時間的變化曲線，根據圖8可以看出，系統負載總功率為0.346 W，負載功率在壓電供電與蓄電池供電切換（即刮板過鏈輪）過程中，過渡平穩，無震蕩現象，在19 s和72 s處出現負載功率微降，是由于蓄電池充電導致微小分流，但并不影響應變片和無線信號發射裝置的工作性能，壓電俘能系統的供電性能穩定，可靠性較高。

圖8　外接負載功率—時間變化曲線

3　現場實驗測試

為校驗張力檢測系統的檢驗精度與可靠性，以張家口國家能源采掘裝備研發實驗中心為平臺，采用現場實測分析方法對系統性能進行測試?，F場采用SGZ1000/1710型中雙鏈刮板輸送機，裝機功率為2×855 kW，實驗鋪設輸送距離為80 m，空載刮板鏈速為1.58 m/s，空載運行一周時間為103 s，整機為水平鋪設，無安裝傾角，刮板鏈張力檢測系統實際安裝與測試方法如圖9所示，在刮板兩側改裝有與刮板相同載荷強度的剛性封閉腔體，分別內置兩個壓電振動能量采集模塊和兩個無線信號發射裝置，兩個壓電振動能量采集模塊同時工作實現能量的采集，而無線信號發射裝置為一主一備的冗余設計。壓電俘能器通過刮板內部線槽實現對應變片與無線信號發射裝置的電源供應，在液壓支架上等距分布無線信號接收模塊，系統將測試數據通過無線信號發射、接收模塊以及以太環網傳至上位機數據監測與處理系統。

圖9　現場實際安裝與張力測試

通過現場實測，多振子水平排列并聯壓電振動俘能器供電性能穩定、可靠，供電輸出功率滿足張力測試傳感器及無線信號發射模塊的需求，得到的刮板張力微應變上位機實時監測曲線如圖10所示，整體曲線中，每一個大幅度張力突變為一次刮板過鏈輪，時間間隔約為51.5 s左右，則通過張力突變檢測到的刮板運行一周的時間約為103 s，測試結果符合刮板的空載運行速度，根據圖10得到刮板輸送機張力應變的各項特征值如表3所示。

圖10　時間與微應變關系曲線

表3　刮板輸送機張力應變特征值

截取刮板輸送機運行的190 s到310 s時間段的一個循環周期進行細化分析，如圖11所示，圖中各標識點分別為刮板運行一個周期內兩端鏈輪嚙入、嚙出點以及峰值張力的微應變值，各點的微應變值以及通過標定張力二次擬合公式計算得到的實際張力值分別如表4所示。

圖11　一個循環周期應變曲線測試數據

張力應變曲線分析:No.1點為208 s時刻刮板鏈張力傳感器在機頭部鏈輪下端的嚙出點位置，檢測到的張力為113 kN，No.2點為刮板在機尾鏈輪的嚙入點，張力值為125 kN，兩者差值為刮板輸送機空載時，下端鏈的運行阻力，運行阻力值為12 kN；NO.5、6、8點為張力傳感器過鏈輪時的瞬間峰值點，對應的張力分別為274.2 kN，236.6 kN和210.6 kN。

表4　各標識點應變和張力值

4　結論

考慮刮板輸送機的實際運行工況，構建了基于壓電振動俘能自供電的刮板鏈張力檢測系統，對壓電俘能器的供電性能及張力檢測的結果進行了分析，得到以下幾點結論:①通過對刮板與鏈環改造安裝張力檢測系統實現刮板鏈的張力實時檢測，解決了移動裝置信號不宜提取的難題，簡化數據采集層的結構模式，采用張力標定方法得到張力應變片的二次擬合曲線，保證檢測結果的精確性與可靠性；②分析了刮板在不同工作位置的振動特性，采用多振子水平并列式壓電振動俘能器實現對張力應變片及無線信號發射裝置的供電，得到系統負載的實時功率，證明壓電俘能系統供電性能穩定，可靠性較高；③張力檢測實驗結果表明，系統能夠實時動態反饋刮板輸送機的張力變化，通過張力檢測曲線得到刮板輸送機運行一個周期的時間為103 s，運行過程中下端鏈運行阻力位12 kN，最大瞬時張力峰值為274.2 kN，測試結果符合現場實際工況，為研究刮板輸送機的張緊力及運行阻力等問題提供重要的理論和數值依據。

［1］ 何柏巖，孫陽輝，聶銳，等.礦用刮板輸送機圓環鏈傳動系統動力學行為研究［J］.機械工程學報，2012，48（17）:50-56.

［2］ 徐廣明，楊偉紅.刮板輸送機運行阻力計算分析［J］.煤礦機械，2009，30（1）:3-5.

［3］ 李秋生，曹輝，宋志江，等.重型刮板輸送機運行阻力的分析計算［J］.煤礦機械，2012，33（2）1-2.

［4］ 許兆棠.繞出驅動鏈輪處刮板輸送鏈張力計算［J］.起重運輸機械，2003（8）:15-18.

［5］ 毛君，師建國，張東升等.重型刮板輸送機動力建模與仿真［J］.煤炭學報，2008，33（1）:103-106.

［6］ 毛君，師建國，張東升.刮板輸送機張力自動控制系統的仿真研究［J］.系統仿真學報，2008，20（16）:4474-4476.

［7］ 李惟慷，毛君，李建剛.刮板輸送機預張力調節系統的研究［J］.礦山機械，2009，（7）:11-14.

［8］ 龔尚福，楊娜.基于滑模控制的刮板輸送機鏈條張力控制［J］.工礦自動化，2015，41（2）:57-60.

［9］ 佘引，溫志渝，趙興強，等.MEMS壓電陣列振動能量收集器［J］.傳感技術學報，2014，27（8）:1033-1037.

［10］薛清華，原芳，廖振華，等.表面應變法無損測量頸椎間盤壓強［J］.清華大學學報:自然科學版，2014，54（5）:690-694.

［11］張佳明，王文瑞，聶帥.高溫電阻應變片特性參數標定實驗研究［J］.中國測試，2014，40（5）:25-28.

［12］闞君武，徐海龍，王淑云.多振子串聯壓電俘能器性能分析與測試［J］.振動與沖擊，2013，32（22）:79-83.

［13］Renno J M，Daqaq M F，Inman D J.On the Optimal Energy Harvesting from a Vibration Source［J］.Journal of Sound and Vibration，2008，320（1）:386-405.

［14］Lefeuvre E，Balel A，Richard C，et al.A Comparison between Several Vibration-Powered Piezoe-Lectric Generators for Standalone Systems［J］.Sensors and Actuators，2005，126（2）:405-416.

［15］于慧慧，溫志渝，溫中泉，等.寬頻帶微型壓電式振動發電機的設計［J］.傳感技術學報，2010，23（5）:643-646.

［16］龔俊杰，阮志林，李康超，等.新型多層懸臂梁壓電發電裝置發電性能研究［J］.機械工程學報，2014，50（5）:135-140.

［17］朱莉婭，陳仁文，雷嫻.壓電振動發電機的研究現狀與發展趨勢［J］.中國機械工程，2011，22（24）:3016-3022.

［18］閆震，何青，王東平，等.懸臂梁壓電式振動發電機材料性能優化研究［J］.傳感技術學報，2015，28（3）:352-356.

張強（1980-），男，遼寧岫巖人，教授，博士，博士后，博士生導師，遼寧工程技術大學機械工程學院，主要研究領域為礦山機械動態設計及監測技術，lgdjx042@126.com；

王海艦（1987-），男，遼寧鐵嶺人，遼寧工程技術大學博士研究生，主要研究方向為機械設計與智能控制，qingseyuji2010@163.com。

Self-Powered Tension Testing System for Scraper Conveyor Based on Piezoelectric Vibration Energy Harvested*

ZHANG Qiang1，2，4*，WANG Haijian1，MAO Jun1，ZHANG Dongsheng1，YUAN Zhi3
（1.College of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin Liaoning 123000，China；2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116023，China；3.China national coal mining equipment co.，LTD.，Beijing 100011，China；4.Sichuan University of Science&Engineering，Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Zigong Sichuan 643000，China）

In order to realize the effective detection for the chain tension of scraper conveyor in the process of running，and overcome the problem of power-supply module which needs regular disassembly and replacement，propose a kind of self-powered tension testing system for scraper conveyor based on piezoelectric vibration energy harvested.realize the effective conversion of electrical energy by collecting the vibration energy produced in the running process of scraper，ensure the long-term effectiveness working of tension detection device and wireless signal launcher.Through multiple cycles tension detection of system，the experiments show that，the self-powered performance of testing system is stable；intercept 103 s for the analysis of single cycle，the maximum tension peak value is 274.2 kN during the scraper running through the sprocket，the running resistance of lower chain is 12 kN which is got by computing the meshing point tension difference of both ends，the testing results fit the actual working condition，it shows that the system has higher test accuracy and reliability.

sensor application；tension test；piezoelectric；scraper conveyor；vibration；self-powered

TH122

A

1004-1699（2015）09-1335-06

項目來源:教育部博士點基金（20132121120011）；工業裝備結構分析重點實驗室開放基金（GZ1402）；材料腐蝕與防護四川省重點實驗室開放基金（2014CL18）；遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃項目（LJQ2014036）；遼寧“百千萬人才工程”培養經費資助（2014921070）；中煤集團重點科技項目（13-8）

2015-04-16修改日期:2015-06-25