刮板輸送機鏈條自動張緊系統的研究與應用

米石巖

霍州煤電集團河津五星煤業有限責任公司 山西 運城 043302

1 前言

隨著我國開采年限的增加，煤礦開采的重點逐步向著覆存條件復雜的煤層進行轉移，這無疑對煤礦機械設備的可靠性提出一定的要求。刮板輸送機作為煤礦重要的運輸設備，其運行性能的可靠與安全直接影響著礦井的正常生產[1]，由于工況環境較為惡劣使得刮板輸送機的鏈張緊系統極易出現故障引起的損壞，所以對刮板輸送機張緊系統進行研究是十分重要的，此前張晉虎[2]為解決礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統精度差、易損壞、耗能大的問題，給出了新型張力檢測系統。通過無線電磁信號的傳輸采集刮板的張力，再將張力顯示于LCD顯示器，從而實現刮板鏈條張力的實時檢測。發現，設計方案能夠滿足鏈條張緊需求。本文基于電流法對刮板輸送機的鏈條張緊系統進行優化研究，為提升礦井開采效率做出一定的貢獻。

2 電流法原理分析

刮板輸送機作為一種撓性連續運輸設備，刮板鏈是其重要的牽引部件，其工作原理是將刮板與鏈條進行固定，組合而成刮板鏈，將刮板鏈的敞開部分放置于溜槽位置，當驅動電機開始運行時帶動鏈條進行運轉，從而使得刮板開始運轉，將裝載的煤矸石運輸至機頭位置卸載，完成刮板輸送機工作任務。

電流法也可稱呼為無傳感器故障診斷法，通過檢測異步電機的電流變化，從而實現異步電機與外部設備的故障診斷。當機械發生故障時，此時的旋轉方向的振動發生較為明顯，使得相連軸系的振動頻率出現一定的波動，波動按照形式一般分為自由扭轉和強迫扭轉，本文主要分析強迫扭轉，發生強迫扭轉最為重要的原因是由于刮板軸系的載荷出現變動，振動通過傳遞使得驅動電機出現振動。對基于電流法鏈條張緊進行研究時首先需要建立異步電機轉子和負載扭轉模型，模型如圖1所示。

圖1 異步電機轉子和負載扭轉模型

如圖1所示，J1為電機的轉動慣量，N.M.s-2；TL為軸的耦合扭矩，N.M；J2為軸系的轉動慣量，N.M.s-2；Te為電機的空氣扭矩，N.M；θ1θ2為轉子的位移，ω1ω2為角速度。所以電機與軸系的動態方程表達形式如下所示：

式中：K代表剛度，N/m；J為轉動慣量，N.M.s-2；將上式進行進一步轉換，得到如下公式：

電機的力矩可以表示為：

式中：n為電機的額定轉速，r/s；PN為電機的額定功率kW；

可以看出，模型為電流、電壓、轉速、力學參數等共同組成的耦合系統，在系統運行過程中，當設備發生扭轉振動時，此時的傳動扭矩TL周期性波動，相當于迫振系統。

對鏈條的張力進行計算，計算方法選定為逐點張力法，計算原理是一點張力等于上一點張力減去兩點張力間的阻力。同時張力與輸送機的鋪設方向有著密切的關系。

將計算得出的刮板輸送機阻力空載100N重載200N代入至仿真模擬中進行仿真計算，設定通訊的間隔為5e-5，張力分別設定為4300N，3000N，設置的最大步長為1e-10，刮板鏈的重量設置為50kg，刮板輸送機的運行方向為水平，對張緊力較小和較大分別進行仿真研究，仿真結果如圖2所示。

如圖2所示，（a）（c）為刮板輸送機在預緊力較大或較小情況下的電流情況，可以看出隨著運行時間的增加，不同張緊力下的電流逐步趨于穩定。而圖3（b）（d）為電流數據的FFT變換后電流頻譜圖，在不同張緊力下的電流頻譜圖有著明顯的差距，當預緊力較大時，此時定子電流FFT變換后的數據較預緊力較小時的數據小，從而可以看出，利用電流法來檢測刮板輸送機鏈傳動系統張力變化是完全可行的。

圖3 張力較大、較小時頻譜曲線

3 驗證實驗

對基于電流法的刮板輸送機鏈張緊系統進行試驗研究，首先對實驗裝置進行布置，試驗裝置根據其功能可分為信號采集部分和機械部分，其中機械部分選定JW09A0-4號電機，JZQ-200型減速器，張緊裝置選用張緊螺栓，通過螺栓的調節使得皮帶間的間距實現調節，從而得到張力的調整。信號采集裝置選型，電流傳感器選定為霍爾傳感器，其具有精度高、測量范圍廣、動態性能好、可靠性高、體積小等優點，同時檢測探頭選定為Fluke i1000s，探頭能夠消除系統雜音、噪聲等問題，在不切斷線路的情況下進行電流檢測。數據采集箱選用UA306S，UA306S采集箱是一種新型A/D產品，通過USB接口與上位機等進行連接，實現信號的采集。信號的處理系統選定為matlab軟件，處理系統通過對異步電機的電流信號進行實時的分析，生成頻譜圖，并對頻譜圖的峰值進行識別，以此對比刮板輸送機鏈條張力是否正常，正常情況下是否存在張緊和放松的情況，并采取相應的措施。

仿真試驗為驗證試驗，通過觀察電機定子電流來確定扭轉振動頻率，測得數據后通過matlab將其進行轉化，轉換后的電流曲線如圖3所示。

如圖3所示，橫軸為頻率，縱軸為電流，從圖中可以看出，當張力的大小發生一定變化時，此時的鏈輪與刮板嚙合剛度發生變化，使得兩者的扭轉振動頻率也發生了變化，此時安裝的電流傳感器檢測到系統電流發生的變化，及時進行張緊力的調整，根據圖可以得出張力較大、較小時頻率與電流的關系。當張力較大時，頻率48.8Hz時取到電流的最大值6306mA，當張力較小時，頻率在48.4Hz時取到最大值7954mA，電流法可以較好的實現刮板輸送機鏈傳動張力的控制，及時定位故障，保障刮板輸送機平穩運行。

4 結束語

（1）本文介紹了電流法張力控制的工作原理，給出了異步電機轉子和負載扭轉模型和計算公式，為后續設計提供依據。

（2）對基于電流法刮板輸送機鏈張緊系統進行研究，分別對比了張緊力較小和較大時的電流曲線及頻譜圖。

（3）利用仿真研究對基于電流法張緊系統可行性進行驗證研究，發現電流法可以較好的實現刮板輸送機鏈傳動張力的控制，保障刮板輸送機平穩運行。