刮板鏈張力監測系統的設計研究

李永紅

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦， 山西 太原 030203）

引言

隨著科學技術的進步，我國已經采用機械化采煤的方式。綜采工作面的設備主要是由采煤機、刮板輸送機、破碎機以及轉載機等組成，刮板輸送機在綜采工作面承擔著運輸煤炭的任務。當采煤機將煤炭從煤壁上截割下來后，刮板輸送機將其輸送至破碎機中。刮板輸送機同時還是采煤機的運行軌道，也是液壓支架移架的支點，由此可知，刮板輸送機是綜采工作面不可或缺的大型機電設備[1]。刮板輸送機主要是由驅動電機、減速器、鏈輪、刮板以及刮板鏈組成的，其工作過程中主要是通過驅動電機提供整個設備的動力來源，通過減速機帶動鏈輪轉動，鏈輪帶動刮板鏈拖動刮板進行輸送煤炭的動作，將刮板輸送機上的煤炭輸送至刮板輸送機的頭部，完成整個煤炭的運輸。刮板鏈是刮板輸送機輸送煤炭的關鍵工作部件，用來傳遞動力和直接刮運煤炭[2]。刮板鏈在刮板輸送機上工作的過程主要是以滑動摩擦的方式進行運行，承受著較大的靜載荷和動載荷。在日常的使用過程中，刮板輸送機經常會出現卡鏈、斷鏈等現象的發生，并且隨著工作時間的增加，刮板鏈的張緊力會降低，這就降低了刮板鏈在實際使用過程中的工作效率，因此對刮板鏈的張緊力進行監測就顯得尤為重要[3]。目前社會上現有的監測張緊力的方式主要有兩種：第一種，對刮板鏈的物理狀態進行監測，利用力學傳感器等對其物理參數進行監測，當其傳感器發生變化時，這就說明了刮板鏈已經出現了故障。這種檢測方式存在著一定的滯后性，當其出現故障時，才能夠反饋出相應的信號，這就極大地影響了帶式輸送機的開機率。第二種是對刮板鏈的張緊力進行監測，張緊力的變化表示刮板鏈的工作狀態，當處于工作狀態出現不同情況刮板鏈的張緊力會發生顯著變化，尤其出現卡鏈時，張緊力會由于電機的驅動發生短時間的劇增，這就可以利用對張緊力的變化實現對刮板鏈故障進行實時監測，降低刮板鏈的故障率，提高刮板輸送機的開機率及煤炭開采效率。

1 刮板輸送機故障原因及實際工況對監測系統的影響

1.1 刮板輸送機故障原因

刮板輸送機是以撓性體為牽引機構的連續運輸機械，在綜采工作面承擔著全部的運輸任務，該裝置在井下的工作環境是十分惡劣。刮板輸送機工作過程中，其刮板鏈的張緊力處于動態變化中，當其遇到工況的變化時，刮板鏈過緊過松都會對刮板輸送機正常的運行狀態產生影響。當受到長時間的重載和摩擦作用的影響，刮板鏈會出現松弛的狀態，這就會導致刮板鏈在刮板輸送機頭輪位置出現脫鏈的現象。當載荷突然增加或者是刮板鏈卡鏈時，會造成刮板鏈產生急劇的張緊力變化，造成刮板鏈變緊，甚至可能出現斷鏈現象發生。本文結合實際工作中造成刮板鏈過緊或過松的現象原因進行分析，主要有以下幾點：

1）由于工作面位置的傾斜，造成刮板鏈不平整，刮板鏈產生水平和垂直方面的彎曲。

2）刮板輸送機上煤炭的產量增加，刮板鏈負載發生變化。

3）長時間的磨損造成了刮板鏈的機械失效現象發生。

4）綜采工作面高濕的空氣和具有腐蝕性的礦井水的長期腐蝕，致使刮板鏈生銹，強度明顯降低。

5）工作人員的操作不當會造成刮板鏈鏈距不同或者其裝置的螺栓等的脫落也會產生故障。

1.2 實際工況對監測系統的影響

對刮板輸送機刮板鏈張力監測系統進行設計需要充分考慮到井下的實際工況對監測系統的影響，本文主要從綜采工作面的礦井水、電氣設備的電磁干擾進行分析。

1）井下開采煤炭的過程中通常會有地下水的滲出，根據不同地方的地理環境和水文環境，井下礦井水的性質也各不相同。當其出現大量地下水滲出時，若刮板輸送機的位置較低，就會出現將刮板輸送機淹沒的情況。當對監測系統進行設計時，就需要充分考慮其防水措施，對張力監測系統中的采集裝置進行密封設計。在封裝設計的過程中要考慮到刮板輸送機鋼性機體對無線通信質量的影響，需要設置相應的特殊信號溢出口。同時當礦井水漫過機體時，水體會影響電磁波的發散，使得電磁波產生能量損耗。

2）井下綜采工作面存在著大量的高壓線和大功率的電機設備，當其工作時，會產生電流的波動，產生電磁干擾。在設計時要充分考慮使用高頻段的電磁波超過井下產生的干擾頻率。

2 刮板鏈張力監測系統的整體方案設計

結合刮板輸送機的實際使用情況，根據刮板鏈張力監測系統的功能需要，刮板鏈張力監測系統主要分為以下三部分：

1）張力信號采集部分。該部分主要是由兩個集成應變片作為張力物理量的采集裝置，通過信號的轉換將張力轉換為電信號，同時將信號發送出去。

2）數據接收部分。該部分主要是信號接收裝置接收到采集部分的信號后解調，隨后將信號傳輸至上位機及顯示裝置上對張力狀態進行顯示。

3）接近開關部分。該部分主要是由永磁體裝置進行監測，當前兩部分的裝置靠近永磁體裝置時，霍爾傳感器接收到信號后，向前兩部分發送信號采集和數據傳送任務。當整個任務完成后，整個監測系統進入到休眠狀態。

在裝置實際安裝時，張力信號采集部分的應變片是直接連接在刮板鏈上的，數據接收部分的天線裝置以及接近開關的霍爾傳感器及其他裝置是安裝在刮板輸送機內腔中的，其導線部分和信號放大電路部分需要導線連接時，在刮板輸送機上加工通孔實現其導線的連接。裝置安裝在內腔時，需要采用保護罩來進行密封操作。其裝置的整個控制芯片采用的是CC2530，該芯片能夠實現整個監測系統的信號的采集和信號的處理功能。在芯片的供電方面采用兩種模式的電源供給，一種是高功率的工作狀態，另一種是休眠模式，達到節能的效果。裝置的安裝圖如圖1 所示。

圖1 裝置的安裝示意圖

3 刮板鏈張力監測系統的軟件設計

刮板鏈張力監測系統主要是由三部分組成，分別是應用層、通信層以及硬件抽象層。該系統的軟件架構圖如圖2 所示。

圖2 軟件架構

刮板鏈張力采集系統的工作流程首先進行程序的初始化，程序初始化完成后，對應變片進行供電，供電完成后系統對其電壓的穩定性進行判定，當其電壓穩定后，進行應變片的數據采集工作，數據采集完成后將應變片采集到的信號傳送至處理器，完成數據采集系統的工作，其裝置的程序流程圖如圖3 所示。

圖3 數據采集層的程序流程圖

4 實驗驗證

為了保證該設計能夠在井下正常運行，通過對其進行實驗驗證，保證其功能的完整性，其裝置的硬件圖如圖4 所示。

圖4 刮板鏈張力監測系統硬件裝置

當整個裝置連接完成后對其張力監測裝置部分使用永磁體靠近傳感器，根據實際的測試表明，顯示器部分和上位機部分都能夠接收到相關信號的數據，以此證明刮板鏈張力監測系統的數據采集及數據的發送功能正常。

5 結語

礦井綜采工作面設備的自動化和智能化程度不斷提升。本文通過對刮板輸送機在井下發生故障的問題進行分析，研究了井下實際工況中刮板鏈張緊力監測系統需要注意的兩個方面的因素，以此為基礎設計了刮板鏈張力監測系統的整體方案，并對其數據采集系統的程序流程圖進行了設計。最后通過實際實驗，驗證了刮板輸送機刮板鏈張力監測系統功能正常。刮板鏈的數據監測系統能夠在刮板輸送機使用過程中對其故障的發生進行預測，提升刮板輸送機的開機率，從而提升煤炭開采的效率。