刮板輸送機(jī)張力監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究

周密林

（中國煤炭科工集團(tuán)山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

刮板輸送機(jī)是一種廣泛應(yīng)用在井下的物料輸送設(shè)備，其利用傳動系統(tǒng)帶動刮板鏈運行，因此刮板輸送機(jī)的鏈傳動系統(tǒng)直接關(guān)系到刮板輸送機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性，在運行的過程中刮板鏈需要保持一定的張緊力，從而避免運行過程中的卡鏈或者脫鏈[1]。傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)自動監(jiān)控裝置在工作時由單獨的供電模塊進(jìn)行電能供應(yīng)，需要定期對其更換，當(dāng)電量衰弱大時極易導(dǎo)致對刮板鏈的張力監(jiān)測不準(zhǔn)確，影響輸送機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此本文提出了一種基于壓電振動俘能的張力實時監(jiān)測裝置。通過采用微應(yīng)變檢測方案對刮板輸送機(jī)運行過程中的張力進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，同時在該監(jiān)測裝置內(nèi)設(shè)置有壓電振動俘能裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)將刮板鏈運動時的動能轉(zhuǎn)換為電能，滿足對監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)不間斷的供電要求，避免了反復(fù)拆裝和電能不足而導(dǎo)致的監(jiān)測偏差，極大提升了對刮板鏈運行張力監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

1 張力監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

為了確保刮板輸送機(jī)刮板鏈的張力監(jiān)測系統(tǒng)在惡劣工況下工作的可靠性，分析后確定將該監(jiān)測裝置設(shè)置在刮板輸送機(jī)系統(tǒng)的刮板和鏈環(huán)結(jié)合的位置，其安裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

由圖1 可知，在進(jìn)行安裝時，分別將刮板的下側(cè)和上側(cè)進(jìn)行開槽并設(shè)置布線孔，其上部的布線孔用于設(shè)置通信電纜和供電電路，下部的布線孔則用于設(shè)置壓電俘能裝置和信號傳輸裝置。

由于刮板輸送機(jī)系統(tǒng)在工作時需要承受頻繁的沖擊載荷作用，由此通過設(shè)置壓電俘能裝置實現(xiàn)將刮板鏈的振動能量轉(zhuǎn)換為電能，為監(jiān)測系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)提供能量供應(yīng)。系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)變片通過該信號傳輸系統(tǒng)將監(jiān)測到的刮板鏈內(nèi)變化不斷的張緊力傳輸給上位機(jī)的監(jiān)測中心，并實現(xiàn)對監(jiān)測信號的分析、處理和轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對刮板鏈運行張力的穩(wěn)定監(jiān)測，其監(jiān)測原理如圖2 所示[3]。

圖1 張力監(jiān)測裝置的安裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 刮板鏈張力監(jiān)測原理示意圖

2 壓電俘能結(jié)構(gòu)及工作原理

由于刮板輸送機(jī)張力監(jiān)測系統(tǒng)的主要消耗電能的裝置為信號傳輸設(shè)備及應(yīng)變片，因此綜合考慮刮板和鏈環(huán)結(jié)合處的空間結(jié)構(gòu)，其采用了水平排列方式來建立該監(jiān)測系統(tǒng)的壓電俘能裝置，其整體布置結(jié)構(gòu)如下頁圖3 所示[4]。

由圖3 可知，該壓電俘能裝置主要包括質(zhì)量塊、限位彈簧、壓電瓷片、基板等，其施力桿設(shè)置在壓電瓷片的中心，施力點的直徑小于壓電瓷片的直徑，因此該施力點可視為載荷作用的中心。其支撐彈簧的作用是確保壓電振子在非工作狀態(tài)下所受的載荷強(qiáng)度，避免過載受到損壞。

圖3 壓電俘能裝置布置結(jié)構(gòu)示意圖

刮板輸送機(jī)在運行過程中刮板鏈的振動幅度變化曲線如圖4 所示。

圖4 刮板鏈運行過程中的振動曲線變化示意圖

由圖4 可知，刮板輸送機(jī)在運行的過程中由于上料、下料等沖擊作用，使刮板鏈產(chǎn)生振動，設(shè)置在刮板鏈上的壓電俘能裝置的質(zhì)量塊在振動的影響下對一系列的壓電振子產(chǎn)生擠壓作用，使其產(chǎn)生電能，然后各處的電能通過整流電路的整流作用進(jìn)行集聚后對用電部分進(jìn)行供電，刮板鏈運行過程中的振動越大，對壓電振子的影響越大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電能就越多。

3 張力監(jiān)測裝置的現(xiàn)場試驗

為了對該基于壓電振動俘能的刮板輸送機(jī)的自動張力監(jiān)測系統(tǒng)的工作可靠性進(jìn)行驗證，本文搭建了刮板輸送機(jī)張力監(jiān)測試驗平臺，利用現(xiàn)場實際測量的方法對其工作可靠性進(jìn)行驗證。該試驗平臺中采用了SGZ 系列刮板輸送機(jī)，其功率為1 710 kW，長度為70 m，空載運行時的速度為1.47 m/s，空載情況下運行一周所需要的時間約為102 s，在該實驗平臺中將壓電振動模塊和信號發(fā)射模塊分別設(shè)置在刮板兩側(cè)的密閉腔體內(nèi)，其中壓電振動模塊和信號發(fā)射模塊均為雙份結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一用一備，確保系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性，應(yīng)變片設(shè)置在鏈條和固定塊接觸的位置上，其檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局如圖5 所示。

由現(xiàn)場實際測試可知，在刮板輸送機(jī)運行的過程中壓電振動俘能器的工作穩(wěn)定、可靠，能確保電能的連續(xù)、穩(wěn)定供應(yīng)，壓力傳感器設(shè)備和信號發(fā)送設(shè)備的工作穩(wěn)定，測試得到的刮板輸送機(jī)鏈條張力的微應(yīng)變變化曲線如圖6 所示。

圖5 刮板輸送機(jī)張力監(jiān)測系統(tǒng)驗證平臺

圖6 刮板鏈條的張力變化曲線

由圖6 可知，圖中的第一個張力突變點位鏈輪和鏈環(huán)的嚙入點，第二個張力突變點位鏈輪和鏈環(huán)的嚙出點依次交替，其時間間隔約為52 s，其在第207 s 時后刮板鏈的鏈輪和鏈環(huán)在機(jī)頭下的嚙出點處，其微應(yīng)變約為2.0×103，所對應(yīng)的張力約為112 kN。刮板鏈和鏈輪的嚙入點的微應(yīng)變約為2.23×103，所對應(yīng)的張力為125 kN，其表明刮板輸送機(jī)在空載運行時下端鏈的阻力約為13 kN，通過利用該張力監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的張力變化結(jié)果與采用傳統(tǒng)的張力計監(jiān)測的結(jié)果基本一致，表明了該監(jiān)測裝置張力監(jiān)測的可靠性。

4 結(jié)論

1）通過對刮板輸送機(jī)張力系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)了對刮板輸送機(jī)輸送鏈張力的精確監(jiān)測，解決了信號監(jiān)測、傳輸不易的問題；

2）通過設(shè)置壓電振動俘能傳感器，設(shè)置在刮板鏈上的壓電俘能裝置的質(zhì)量塊在振動的影響下對一系列的壓電振子產(chǎn)生擠壓作用，使其產(chǎn)生電能，然后各處的電能通過整流電路的整流作用進(jìn)行集聚后對用電部分進(jìn)行供電；

3）實際試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對刮板鏈運行時的張力變化情況進(jìn)行實時監(jiān)測，且能夠保證穩(wěn)定的電能供應(yīng)，具有可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。