重型刮板输送机张力检测系统设计.pdf

第 4 3卷 第 3期 2 0 1 7年 3月 VoI ． 43 NO ． 3 M a r ． 2 O 1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 3 0 0 0 6 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 i x ． 2 0 1 7 ． 0 3 ． 0 0 2 任威 ， 卢 明立 ， 杨 志 明 ， 等． 重 型刮板 输送 机 张力 检测 系统 设计 E J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 3 6 - 9 ． 重型刮】皈输送机张力检测系统设计 任 威 ， 卢明 立 ， 杨 志 明 ， 闵令 江 ， 杨 善 国 1 ． 中国矿 业 大学 机 电工程 学 院 ， 江 苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ；2 ． 连云港 天 明装 备有 限公 司 ， 江 苏 连 云港2 2 2 0 6 2 摘 要 针 对 刮板 输送 机 运行过 程 中张力难 以有效 监测 的 问题 ， 设计 了一种 基 于有 限元 分析 的刮板 输送 机 张力检 测 系统 。通 过分析 刮 板 与刮板 链之 间的 受力 关 系 ， 寻找 刮板 与刮板链 之 间的张 力敏 感点 ， 在 若干刮 板 输 送机 刮板 上嵌 入 应 变传感 器 ， 测量 刮板 和链 条 之 间弱耦 合 点的 张 力 ， 进 而获 取 刮板 链 张 力 分 布 ， 实现 刮 板 输 送机 链 条张 力的 动 态监测 。 关 键词 煤 炭 开采 ；刮 板输 送机 ；张 力监 测 ；应 变传 感 器 ；无 线传输 中图分 类号 TD 5 2 8 ． 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 问 2 0 1 7 0 2 2 8 1 6 3 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 3 0 1 ． 1 5 0 7 ． 0 0 2 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 1 1 2 6 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 1 1 2 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 4 7 5 4 5 5 ； 江苏省科 技成 果转化专项资金项 目 B A2 0 1 4 1 1 3 ； 江苏省政策引导类计划 产学研合 作 前 瞻性联合研究项 目 B Y2 0 1 5 0 2 3 0 8 。 作者简介 任威 1 9 9 2 一 ， 男 ， 辽宁铁岭人 ， 硕士研究生 ， 研 究方向为状态监测与故 障诊断 ， E - ma i l 1 7 5 7 7 7 1 4 5 9 q q ． c o rn。 锁 相环 及 AOM 驯服算 法 的时 钟 同步 系统 。测 试 结 果 表 明 ， 该 系统 采 集 到 的 信 号 波 形 完 整 ， 信 噪 比高 ， 各 采集 终端 在井 下 连续 工作 8 h的 时钟 同步 精 度优 于 1 O s ， 探 测 到 的煤层 厚度 与 实际 挖掘 验证 的情况 基 本一 致 。 参考 文 献 [1 ] [ 2] [ 3] [ 4] [5 ] [6 ] 张法全 ， 李宗 敏 ， 王 国富 ， 等 ． 高 动态 范 围微震 信 号采 集 系统设计E J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 O 1 2 1 5 ． 姬 广忠 ， 程建 远 ， 朱培 民 ， 等 ． 煤 矿井 下槽 波 三维 数值 模 拟及 频 散 分 析 I- j ] ． 地 球 物 理 学 报 ， 2 0 1 2 ， 5 5 2 6 45 65 4． 杨思 通 ， 程 久龙． 煤巷小 构造 R a y l e i g h型槽波 超前探 测 数 值 模 拟 [ J ] ．地 球 物 理 学 报 ，2 0 1 2 ， 5 5 2 6 55 66 2． 胡 国泽 ， 滕 吉文 ， 皮娇 龙 ， 等． 井 下槽 波地 震勘 探 预防煤矿灾 害的一种地 球 物理 方法 [ J ] ． 地 球物 理学 进 展 ， 2 0 1 3 ， 2 8 1 4 3 9 4 5 1 ． 李淅龙． 煤矿井下反射地震勘探 技术初步研究 与应用 [ D ] ． 西安 西安科技 大学 ， 2 o 1 o ． 程建远 ， 江浩 ， 姬广 忠 ， 等 ． 基 于节 点式 地震 仪 的煤矿 井下槽波地震 勘探 技术 [ J ] ． 煤 炭科 学技 术 ， 2 0 1 5 ， 4 3 2 2 5 2 8． [7] [8] [ 9] [ 1 O 3 [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 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0 1 0 ． ∞ 化 m 动 自 d 矿n 工 _耋 d h 2 0 1 7年 第 3期 任 威等 重型刮板 输送机 张力检 测 系统设计 7 De s i gn o f t e ns i o n t e s t i n g s ys t e m o f h e a v y s c r a p e r c o nv e y o r REN W e i ， LU Mi n g l i ， YANG Z h i mi n g ， MI N Li n g j i a n g ， YANG S h a n g u o 1． Sc h oo l of M e c h a ni c a l a nd El e c t r o ni c a l Eng i ne e r i ng，Chi na Uni v e r s i t y of M i ni ng a n d Te c hn o l og y， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a ；2． Li a n y u n g a n g Ti a n mi n g E q u i p me n t Co ． ，Lt d ． ，Li a n y u n g a n g 2 2 2 0 6 2，Ch i n a Ab s t r a c t I n vi e w o f p r ob l e m t ha t t e ns i on o f s c r a p e r c on ve y or i s d i f f i c u l t t o e f f e c t i v e l y m o n i t o r i n r u nni ng pr o c e s s ， a t e ns i o n t e s t i ng s y s t e m of s c r a pe r c o nv e yo r ba s e d o n f i ni t e e l e m e nt a na l y s i s wa s d e s i g n e d ．Th e s e n s i t i v e s p o t o f t e n s i o n b e t we e n s c r a p e r a n d s c r a p e r c h a i n wa s f o u n d b y a n a l y z i n g t h e f o r c e r e l a t i o n be t we e n t h e s c r a pe r a nd s c r a pe r c ha i n． The t e ns i o n o f we a k c o up l i ng po i n t be t we e n t he s c r a p e r a nd t he c ha i n wa s me a s ur e d b y e mbe dde d s t r a i n s e ns o r i n s e v e r a 1 s c r a pe r s ， S O a s t o o bt a i n t e ns i o n di s t r i bu t i o n of t he s c r a p e r c h a i n．Th e s y s t e m r e a l i z e s d yn a mi c mo ni t or i n g o f t e ns i o n o f s c r a p e r c on v e y or c ha i n． Ke y wo r d s c o a 1 mi ni n g；s c r a pe r c o n ve y or ；t e ns i o n m o n i t o r i ng；s t r a i n s e ns o r；wi r e l e s s t r a ns m i s s i o n 0 引言 煤 炭 是 我 国的 主要 能 源 ， 在 一次 能源 生产 和 消 费 中 占 7 O 左 右 。刮 板输 送 机 作 为 综 采 工 作 面 机 械化采煤的关键装备 ， 承担着运煤 、 为采煤机提供运 行轨道及为液压支架提供推移支点的重要任务l 1 ] 。 在生产实践中， 刮板输送机 ， 特别是重型刮板输送机 关键部件寿命较短 ， 故障发生概率高 ， 降低 了综采成 套装备的开机率 ， 严重制约了我 国大型煤矿的生产 效率 。经深入分析发现 ， 刮板链张力 的时变特性且 难 以有效 控制 是导 致 刮板 与刮板 链 寿命短 和机 头机 尾 翻翘 、 跳 链 、 堵 转 、 断 链 等 故 障 频 发 的根 本 原 因_ 4 。 ] 。 因此 ， 为 了提 高 刮板输 送机 运行 的稳 定性 与 可靠性 ， 延长其关键部件的使用寿命 ， 必须要对刮板 输 送 机张力 进 行有 效监 测 与控制 。骆 小 红等[ 8 设 计 了基 于 WS N 和 F C S的 刮板 输 送 机 监 控 系统 ， 该 系 统通 过工业 以太 网和 现场 总线 控制技 术 实现 了刮板 输送机的远程控制。朱艳君等r 9 结合 L a b VI E w 监 测 平 台 ， 设 计 了新 型刮 板输送 机 状态 监测 系统 ， 可 实 现 对 刮板 输送 机减 速 器 油 温 、 油 位 及 电动 机 相 电 流 等重要 监 测参 数 的实 时监测 、 数 值显示 、 超 限报 警 等 功能 。赵哲谦等『 1 设计 了一种基于射频识别技术 的刮板输送机传动装置无线检测系统 ， 无需布线 即 可 检测 刮 板 输 送 机 传 动 装 置 的各 个 参 数 。 于林 在刮板输送机 中部槽 内部构建专用磁场并使用 以霍 尔元件为敏感元件 的刮板检测传感 器 ， 以传感器 在 有 、 无 刮板 时 的磁感 应 强度差 值 MI D 为性 能 指标 ， 利 用该 传感 器 间接 判 断 出是 否 有断单 链 故 障 。以上 研究虽然在刮板输送机故障监测技术方面取得 了许 多进展 ， 但并没有实现对刮板链张力的有效检测。 针 对这 一 瓶 颈 问题 ， 笔 者 提 出 了一种 基 于 有 限 元分析的刮板输送机张力检测系统 。通过分析刮板 与 刮板链 之 间 的受 力 关 系 ， 寻 找 刮板 与 刮 板 链 之 间 的张力敏感点， 并在若干刮板输送机刮板上嵌入应 变传感器， 测量刮板和链条之间弱耦合点的张力 ， 进 而 获取 刮板链 张力 分 布 规 律 ， 实 现 了刮 板 链 张 力 的 动态监测， 保证刮板输送机高效、 稳定运行。 1刮 板组 件受 力分析 刮板输送机驱动牵 引系统主要 由驱动 电动机 、 减速机 、 链轮组件 、 刮板和刮板链等组成 ， 如图 1所 示 。由于刮板输送机驱动牵引系统中刮板链 、 刮板、 链 轮 等均 为移动 或转 动部件 ， 其 受力 、 变形 等测量 难 度 大 ； 此外 ， 刮板 链在 复杂 的载 荷 条件 下 ， 其 张 力 不 均匀 ， 运行中被原煤等覆盖 ， 对整个链条的张力测量 难 以实 现口 。 。本 文 通 过 检 测 刮 板 与 刮 板 链 之 间 弱耦合点的张力 ， 并基于数据无线传输 ， 实现对刮板 输送机链条张力的动态监测 。为了明确刮板与刮板 链张力的耦合关系 ， 为传感器的安装提供策略 ， 需要 建立刮板组件的有限元模型， 对其进行受力分析 。 减速机 液力偶合器驱动 电动机 图 1 刮板输送机驱动牵引系统 1 ． 1 刮 板组 件 的三 维建模及 网格 划分 依据 MT／ T 3 2 3 -- 2 0 0 5 中 双链 刮板 输 送 机 用 刮 板 ， 本 文设 计 的刮板 长度 为 1 2 3 4 mm， 链 中心 距 8 工矿 自动化 2 l 7年 第 4 3卷 为 2 8 0 mm， 孔 为 5 2 O n 1 n 1 ． 螺 栓孔 A径 为 3 3 mm， 适 应槽 宽 为 1 2 5 0 I T I I l l ， 合链 条规格 为 4 8 n l I I l 1 5 2 mm。运 『 f J C r e o 2 ． 0对剐 板组件 进 行 维 建模 ， 然后 将模 型 导人 人NS YS软 件进 行 自 由刚 格 划 分 ， 没置 网格 形状 为 角 形 ， 相 父度 为 1 0 0 ， 格划 分 如 冈 2所示 。 o 3 fJ 】 6 0 0mm l 5 1 4 5 0 [ -N 2舌 lJ 板 2 H 州格 筻 Ij 分 1 ． 2 材 料 属 性 定 义 刮板输 送机 运行 过程 l { l 稿承受批 J m l 、 时 变载荷 与 冲击 等作 川 ， I 此 ， { l 前矿川 刮板 多采用 合 金结 构 钢 。 本 文 刮 板 组 件 的 材 料 为 4 2 、 r Mo ， 材 料 机 械 性 能 参 数 弹性 模 量 为 2 1 0 GP a ， 松 比 为 0 ． 3 ， 密 度 为 7 8 0 0 k g ／ m ； 螺 栓 材料 为 Q2 3 5 。 材 料机 械 性能 参数 弹性 模 量 为 2 O 8 ； I 松 比为 0 ． 3 ， 密 度 为 7 8 6 O k g ／ m。 。 1 ． 3 载荷 和 约束施 加 刮 板组 件 ⋯ 刮板 和 板 构成 ， 通 过 螺 栓 连接 存 一 起 ， 刮 板组 件 各 部 分 约 束 火 系 如 3所 永 。 分析 刮板 组件 作 川力 时 ， 刮 板 组 件 只 在 运 行 的 打 } 有 位移 ， 其 他方 阳的 位 移 均 为零 。刮 板 组 件运 过 程 巾需 要 克服 自身与 中部槽 摩擦 力 ， 冈此 ， 刊 板 与圆 环链 接 触 处 沿 运 行 方 阳施 』 J l l 张 力 差 与其 衡 。 巾部 槽 f 物 料 断 衙 积 为 0 ． 6 7 m ， 物 料 密 度 为 9 0 0 k g ／ m‘ ， 刮 板宽 度 为 0 ． 1 2 m， 刮 板 『 { 身 质 量 为 1 1 5 k g ， 刮 板 组件 与 中部槽 摩 擦 系数 为 0 ． 4 ， 摩 擦 力 为 7 5 0 N。 罔 3 刮 板 组 件 符 鄙 分 约 柬 天 系 1 ． 4 求 解分析 经过 AN S Y S分 析 后 ， 得 j f 刮板 组 件 的 心 力 云 罔 ， 如} 霉 {4所 示 。从 『 冬 {4“ 丁 看 ， 刮 板组 件运 行过 程 巾受 到摩擦 力作用 ， 最 大应 力为 1 ． 8 9 7 4 MP a ， f i I 现 在与 中部槽 接 触 的 底 面 。此 外 ， 与 圆环 链 棚 接 触 的链 窝处 受 力卡 } { 对较 大 ， 约 为 0 ． 4 ～0 ． 5 MI a ， 可 以 针 对这些 张 力敏感 点 ． 安装应 变传 感器 ， 以进 行张 力 测 琏 。 】 5 o 45 0 罔 1 削板 组 件 的啦 力 冈 2张 力检测 系统 设计 2 ． 1 检 测 原 理 剐板输 送机链 条 与链轮 啮 合并 中部槽 上不 断 移动 ． 其张 力 也随载 筒实时 变化 ． 直接 测最 整条链 条 的张 难 以实 现 。通 过分 析 刮 板 组 件受 力发 现 ， 刮 板 组 与 圆环链 卡 口 互 接触 的链 窝 处 受力 相 对 明 ， 针 对这 些张 力敏 感 点 ， 在 若 干刮 板 输 送机 刮 板 布 变传感 器 ， 测量 酬 板 和链 条之 M 弱耦 合点 的张 力 ， 通 过对 链 条有 限位 置 的 张 力测 量 可 实 现对 刮 板 输 送 机运行 状态 的 测 。 2 ． 2刮 板 组 件 结 构 改 造 为 了便 于 安装 通 信 设备 ， 合 理 布 置应 变传 感 器 引线 ， 需要 对 刮板组 件进行 结构 改造 ， 改造 后 的刮板 组 件 结构 如 图 5所爪 。 1 削 饭 输 送 机 I 刮 饭 ；2 削 极 输 送 L pH 傲 ；3立 链 ；4横 链 ； 5定化孔 ；6 设备安装槽 ；7 一引线槽 ； 8 一rj f 线 L ； 9 一横链槽 ； 1 0 一立 链 贴 片 槽 ；1 1 ct - 链 链 窝 罔 5 改造后 的刮板组件结构 改造 后 的刮板 组件 m刮 板输送 机上 刮板 和下 压 板 2个部分组 成 ， 刮饭输 送机 链 条包括 链 和横链 ， 链 通过 立链 链 窝 与刮 板 接 触 ， 横链 通 过 横 链 槽 与 副 板接触 ； 刮 板输送 机 刮板 和链 条瑟 于定位孔 、 通 过 定 位螺栓 连 接成 一 个整 体 ； 引线 槽 平 1 I 引线 孔 用 于 应 变 传感器 布 线 。 2 ． 3 应 变传感 器安 装方案 设计 应 变传 感 器 安装 方 案 如 6所 示 ， 应 变传 感 器 z o 1 7年 第 3期 任 威 等 重型刮 板输 送机 张 力检 测 系统 设计 9 设置 在若 干 刮板 输 送 机 横 链 贴 片槽 和 立 链 贴 片 槽 内， 且在若干刮板输送机刮板上安装位置相 同； 横链 贴 片槽包 括 上 刮 板 横 链 贴 片槽 和 下 压 板 横链 贴 片 槽 ， 立 链 贴片槽 由上 刮 板 立链 贴 片槽 和下 压 板 立 链 贴片槽共 同组成 。数据采集卡 、 AD转换模块 、 无线 发送模块和电源模块安装在若干刮板输送机刮板表 面 的设 备 安装 槽 内_ 1 。 92 1 2 9 1 一上 刮 板 横 链 贴 片 槽 ；9 2 一 F压 板 横 链 贴 片 槽 ； 1 0 1 一上刮板立链贴片槽 ；1 0 2 一下压板立链贴片槽 ； 1 2 一固定 凸台；1 3 一固定槽 图 6 应变传感 器安装方案 2 ． 4 系统 无线信 号 传输模 块 设计 系统无线信号传输模块主要由若干组应变传感 器、 数据采集卡 、 AD转换 模块 、 无线 通信模块和数 据控制中心组成。应变传感器设置在刮板的横链槽 和立链槽 内， 数据采集卡用于采集应变传感 器数据 信号 ， AD转换模块将采集 到的传感 器信号转换成 数字信号； 无线发送模块用于无线信号传输 ， 无线接 收模块接收无线信号并将数 据传输至数 据控制 中 心 ， 对数据信息进行进一步处理 。无线信号传输通 过数据压缩和设计传输协议以减少数据量并缩短传 输延迟 。无线信号传输原理如图 7 所示 。 应变 传感器卜 i 数据 一 _ 采集卡 应 变 传 感 器 b - 无 线 通 信 模 3 结 语 图 7 无 线信 号传输原理 数据控制 中心 在刮 板输 送机 运行 过程 中 ， 刮板 链 与链 轮 、 刮板 连接 ， 与原煤直接接触 ， 其张力直接反映输送机的运 行 状 态 。设计 的刮 板输 送机 张 力检 测 系统通 过 对链 条有限位置的张力测量， 并基于数据信号 的无线传 输 ， 实 现 了对刮板 输 送机链 条 张力 的动态 监测 ， 保证 了长距离 、 大功率刮板输送机安全运行， 可以有效 、 及时地 发 现刮板 输 送 机 隐 患 ， 提 高 了工 作 面 的生产 效率 ， 具有较高的应用价值 。 参 考 文 献 [ 1] 陈令 国 ， 赵江华 ， 梅雪 峰． 综采工作面刮板输送 机的 自 动化 、 智 能 化 控 制 技 术 [ J ] ．工 矿 自动 化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 1 2 2 4 2 6 ． [ 2] 许 岩 ， 刘 伟 ， 白小 英 ， 等． 我 国刮板 输 送 机 发展 分 析 [ J ] ． 建设机械技术与管理 ， 2 0 0 8 ， 2 1 8 1 2 8 1 3 0 ． [ 3] 张树齐 ， 赵聪． 刮板 输送机 运行 阻力 的分析计 算 [ J ] ． 矿 业 研 究 与 开 发 ， 2 0 0 8 ， 2 8 4 4 1 4 2 ． [ 4] 谢苗， 毛君， 许文馨． 重型刮板输送机故障载荷工况与 结构 载荷工况的动力学仿真研究[ J ] ． 中 国机械 工程 ， 2 0 1 2， 2 3 1 O 1 2 0 0 1 2 0 4 ． [ 5] 张春芝． 刮板输送机动 力学 建模 及链 环疲 劳可靠性研 究[ D ] ． 北京 中国矿业大学 北京 ， 2 0 1 2 ． [ 6] 蒋 恒深 ， 张 晓光 ， 李辉 ， 等． 基 于 Z i g b e e的综采 工作 面 设备及 环境远程检测 系统 设计 [ J ] ． 仪表 技术 与传感 器 ， 2 0 1 0 9 3 6 - 3 9 ． [ 7] 毛君， 张东升 ， 师建国． 刮板输送机张力自动控制系统 的 仿 真 研 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