刮板輸送機鏈條張力監測理論及方法研究

2016-01-11 08:58:26朱正中,邢方方

采礦與巖層控制工程學報 2015年1期

刮板輸送機鏈條張力監測理論及方法研究

朱正中1，邢方方2

(1.中國礦業大學校長辦公室，江蘇徐州 221116；2.江蘇中機礦山設備有限公司采煤機所，江蘇徐州 221116)

[摘要]為實現刮板輸送機鏈條狀態的實時監測，對刮板輸送機鏈條張力監測的理論及方法進行了探討研究。建立了刮板輸送機預張緊力模型，確定了機頭部松邊鏈條的懸垂量在不同鏈條狀態下具有獨立區別的特征，為理想的鏈條狀態監測點；研究了機頭部松邊懸垂量和次小張力的關聯機理，為電感式接近位移傳感器的安裝提供理論基礎。實踐應用表明：所述的鏈條張力狀態監測方法具有可實施性和高可靠性。

[關鍵詞]刮板輸送機；鏈條張力；監測系統

[中圖分類號]TD528.3[文獻標識碼]A

[收稿日期]2014-05-22

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.015

[作者簡介]朱正中(1981-)，男，安徽太湖人，碩士，講師，中國礦業大學校長辦公室科長，研究方向為機械設計及機電控制。

Chain Tension Monitoring Theory and Method of Scraper Conveyer

ZHU Zheng-zhong1, XING Fang-fang2

(1.Principal Office, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China;

2.Coal Cutter Department, Jiangsu Zhongji Mine Equipment Co., Ltd., Xuzhou 221116, China)

Abstract:In order to realize real-time monitoring chain state of scraper conveyer, the pre-tension model of scraper conveyer was set up and it was obtained that amount of suspension of slack side chain had distinct characteristic under different chain states and was ideal monitoring point.The related mechanism of slack side suspension amount and second-small tension was researched, which provided theory basis for installation of inductive displacement transducer.Practice showed that this chain tension monitoring method had enforceability and high reliability.

Keywords:scraper conveyer; chain tension; monitoring system

[引用格式]朱正中，邢方方.刮板輸送機鏈條張力監測理論及方法研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：48-50，16.

刮板輸送機作為綜采工作面的主要運輸設備，主要承擔著運煤的作用，同時，還作為采煤機的運行軌道和液壓支架的推移支點，需要保證其高效可靠運行[1-2]。實際運行中，隨著刮板輸送機負載的變化，鏈條容易出現過松或者過緊[3-4]。當鏈條過松時，鏈條與鏈輪的嚙合會被破壞；當鏈條過緊時，運行阻力則會加大，使得刮板輸送機的功率消耗加大，直接磨損相關元器件。因此，研究刮板輸送機鏈條張力監測的理論及方法，實現對刮板輸送機鏈條狀態的實時監測具有重要的現實意義。

1刮板輸送機鏈條預張緊力模型

研究刮板輸送機鏈條張力狀態，首先需要確定鏈條的預張緊力。根據胡克定律，刮板鏈在鏈條張力的作用下，鏈條的彈性變形為：

ΔL=FL/EA

(1)

式中，ΔL為鏈條的彈性伸長量，m；F為刮板鏈所受的張力，N；L為刮板鏈的長度，m；E為鏈條的彈性模量；A為鏈條的橫截面積，m2。

當刮板輸送機運行時，鏈條上各點的張力是變化的，因此，鏈條的總彈性伸長量采用積分形式求解，即：

(2)

基于逐點計算法，隨著刮板鏈的實際運行方向，建立圖1所示的鏈條張力圖。

圖1　鏈條張力分布

圖1中，定義F1為機尾鏈輪與鏈條分離點的張力；F2為機頭鏈輪與鏈條接合點處的張力；F3為機頭鏈輪與鏈條分離點處的張力；F4為機尾鏈輪與鏈條接合點處的張力。

對于平直刮板輸送機，根據積分的定義，式(2)可進一步轉化為：

(3)

實際工作中，刮板鏈受力將產生很大的彈性伸長，會在驅動鏈輪與鏈條的分離處松弛，甚至會形成鏈條堆積現象。為了防止上述現象的出現，在刮板鏈安裝時要給刮板鏈施加一定的張緊力，使刮板鏈有預加的彈性伸長，如果這個伸長量和額定負載下鏈條的彈性伸長是一樣的，額定負載下產生的彈性伸長將會被抵消，這樣就可以避免鏈條的松弛。這個張緊力也就是預張緊力Fy。根據預張緊力的作用和定義，在預張緊力的作用下，刮板鏈的彈性伸長量為：

(4)

聯立式(3)和式(4)兩式，可以得到：

(5)

根據圖1和鏈條張力的逐點計算法，得到如下的關系式：

(6)

式中，Wz為承載煤工作段的工作阻力(上溜槽)；Wq為空載工作段的工作阻力(下溜槽)；T為機頭部(或機尾部)電機施加的牽引力。

由式(6)得到電機施加的牽引力T與Wz和Wq的關系為：

(7)

聯立式(6)和式(7)得：

(8)

顯然，Wz≥Wq，由式(8)可知，F1點是額定負載下整個鏈條最小張力的所在點，即機尾處鏈條與鏈輪的分離點。

聯立式(5)和式(8)得：

(9)

在實際運行工況中，Wz是個已知量，因此，預張緊力和鏈條的最小張力點存在一個正比的關系。當最小張力點也就是機尾上方鏈條張力為零時，此時的刮板鏈能夠沿中板自由滑下，從而達到最佳的運行效果。由此，當最小張力點為零，可以得到理論上的預張緊力為額定負載下承載煤工作段的一半，也就是在刮板機開始工作前通過刮板機的液壓馬達緊鏈裝置進行設置。

在機尾上方最小張力點處，當鏈條過緊時鏈條會與輸送機機尾的壓尾壓鏈板接觸，相比最佳狀態，此處的鏈條有一個微小的位移，利用該微小位移量可以進行過緊狀態下鏈條張力的自動調節；然而，當鏈條過松時，此處的鏈條和最佳狀態的表面現象是一樣的，無法被監測出來。考慮到機頭部松邊鏈條的懸垂量在過緊狀態、最佳狀態和過松狀態下具有獨立區別的特征，并且，該部位也是整個鏈條次小張力的所在處，因此，該部位可用于鏈條張力的檢測，需要在該部位建立懸垂量和次小張力點的數學關系。

2機頭部松邊懸垂量和次小張力的關聯機理

機頭部松邊處，可確定的已知條件有：鏈條與鏈輪分離點A和鏈條與下溜槽接觸點O之間的水平距離l；機頭部中板與下溜槽的夾角β；鏈條與鏈輪分離點處張力，即次小張力點F3；F3與水平線的夾角α。α的確立是采用如下方法：次小張力的方向沿著弧AO在A點處的切線方向，而該切線方向又和上機頭鏈輪(截面近似一個圓)的半徑垂直。所以確定該切線方向可以過鏈輪分離點做該點處鏈輪的切線，該切線與水平線的夾角即為α。以O點為原點建立坐標系。具體如圖2所示。

圖2　鏈條懸垂量和鏈條張力的關系

做直線OA的平行線MN，使OA與弧OA相切于Q點，設Q點的坐標為(x,y)，取Q點的相鄰微元為P點(x+dx,y+dy)，定義P點的切線與x軸的夾角為β+dβ。在QP微元段的受力平衡，在x軸上鏈張力的水平分力相同，設鏈張力的水平分力為fh，則建立如下等式：

(10)

式中，q為單位長度的鏈條重量，N/m；ds為微元段的弧長，m。

根據泰勒公式可得：

tan(β+dβ)≈tanβ+d(tanβ)

(11)

又因為：

(12)

tanβ=y′

(13)

聯立式(10)、(11)、(12)和(13)可得：

(14)

在初始條件x=0,y=0和x=0,y′=0下，利用matlab對式(14)求二重積分可得弧AO的方程如下：

(15)

為簡化計算，在垂度與圖2中的l值之比小于0.04的前提下，將懸垂線往拋物線轉化。雙曲余弦函數的泰勒展開如式(16)所示。

(16)

聯立式(15)和式(16)可得弧AO的方程如下：

(17)

(18)

式中，機頭部松邊處鏈條的水平分力為：fh=F3·cosα。

為了便于傳感器安裝，取x=-l/2處為傳感器的安裝位置，此處的懸垂量與次小張力F3的關系為：

(19)

3鏈條張力監測方法

某型刮板輸送機的相關參數為：鏈條長度L=100m；輸送量Q=500t/h；鏈速γ=1.51m/s；機頭鏈輪分離點至下溜槽接觸點水平距離l=2.83m。

假設刮板輸送機的安裝角度為零，承載煤工作段的工作阻力Wz和空載工作段的工作阻力Wq為：

(20)

式中，q1為單位長度的運煤量，q1=Q/v=91.98kg/m；q2為單位長度的鏈條質量，q2=96.93kg/m；wL為刮板鏈在溜槽中移動阻力系數，wL=0.2；w為煤在溜槽中的移動阻力系數，w=0.6；g為重力加速度，g=9.8N/kg。

根據式(20)，得到重載運行阻力Wz=73082.17N，空載運行阻力Wq=18998.28N，當最小張力為0時，由式(8)可知，次小張力為F3=(Wz-Wq)/2，即F3=27041.94N。機頭部的抬高角β=10°，鏈輪與鏈條分離點處切線與水平線夾角α=60°，單位長度的鏈條重量q=q2g，由式(19)，則在x=-l/2處的鏈條懸垂量為Δy=0.179m，當次小張力點的張力變化值為±100kN，即次小張力點的張力值變為F3=17041.94～37041.94N，其鏈條懸垂量變為0.138～0.199m。因此，相比最佳狀態的懸垂量，當鏈條過松或過緊時，懸垂量分別有0.041m和0.02m的變化。

采用電感式接近位移傳感器監測鏈條懸垂量的變化，以對鏈條的狀態進行準確判斷。電感式接近位移傳感器由檢波電路、放大電路、施密特觸發電路、LC高頻振蕩器及輸出部分等組成，振蕩電路的線圈產生高頻交流磁場，該磁場通過傳感器的感應面釋放出來。當鏈條接近能產生電磁場的感應頭時，在鏈條的內部將產生渦流，而這個渦流又反過來作用于傳感器，從而造成了傳感器的振蕩能力衰減，內部電路的參數發生了變化，當觸發電路探測到這一衰減現象時，將這一現象轉化為開關電信號，根據該電信號識別有無鏈條進入探測區，從而控制開關的通或斷。

綜合上述考慮，選用西門子公司的3RG40 12-OAG 31型電感式接近位移傳感器，該型電感式接近位移傳感器以鍍鎳黃銅作為其外殼，額定工作電壓為DC 15～34V,其防護等級為IP 68,可以適應煤礦井下惡劣環境的要求，能夠作為本安型接近開關，該型接近開關為三線制的，其內部觸點為常開觸點(NO)。其工作原理是:當鏈條進入其操作距離時，常開觸點閉合，此時，輸出端與負工作電壓(OV)之間連接的負載將直接接到正工作電壓，輸出端將實現一個電壓的跳變，這是接近開關應用電路的關鍵。在該刮板輸送機上的安裝如圖3所示。