滚筒式采煤机扭矩与转速的测量研究.pdf

第3 3 卷第0 l 期 2 1 1 2 年0 1 月 煤矿机械 C o a lM i n eM a c h i n e r y ～I3 3 N ，0 I “_ 2 0 1 2 滚筒式采煤机扭矩与转速的测量研究 蔡翰志 鲞底职业技术学院．湖南娄底4 1 7 0 0 0 摘要为了测量滚筒式采煤机的瞬态输出扭矩和转速，采用在机械传动轴上安装应变片的 方法设计了扭矩测量电路．利用光源通过固定在传动轴上齿轮盘的检测方法设计了转速测量电 路．并介绍了基本结构与测量原理利用嵌入式微处理器与无线通信模块设计的数据传输系统，实 现了扭矩和转速数据的卖时采集、传输和动态显示， 关键词应变电桥；扭矩与转速；传动轴无线传输系统 中图分类号T D 4 2 1 ．6文献标志码B 文章编号1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 1 2 0 1 0 0 4 6 0 3 R e s e a r c ho nT o r q u ea n dR o t a t i o nS p e e dM e a s u r e m e n t so fS h e a r e r D r u m C A IH a n - z h l f l 』1 u d iV o c a t i o n a lT e c h n i c a lC o l l e g e ．L o u d i4 1 7 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt om e a s u r ei n q t a n t a n e o u sr o t a t i o ns p e e da n dt o r q u eo fs h e a r e rd r u m ．1 1 l et o r q u e m e a s u r e m e n tc i r c u i tw a sd e s i g n e db yt r a n s m i s s i o ns h a f ti n s t a l l e dw i t hs t r a i ng a u g e s ，a n dt h er o t a t i o n s p e e dm e a s u r e m e n tc i r c u i tw a sd e s i g n e db yl i g h ts o u r c ep e n e t r a t i n gg e a rw h e e li n s t a l l e di nt r a n s m i s s i o n s h a f tt ot e s tr o t a t i o ns p e e d ．a n dt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dm e a s u r et h e o r yw e F ei n t r o d u c e d ．T h ew i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mw a sd e s i g n e dw i t he m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，w h i c hr e a l i z e dr e a lt i m ec o l l e c t i n g ，t r a n s m i s s i o na n dd y n a m i cd i s p l a yo ft o r q u ea n dr o t a t i o n s p e e dd a t a ． K e yw o r d s s t r a i ng a u g eb f i d g e ；t o r q u ea n d r o t a t i o ns p e e d ；t r a n s m i s s i o ns h a mw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m 0 引言 由于滚筒式采煤机在作业过程中．经常遇到不 同硬度的煤岩．尤其遇到硬度较高的煤炭、岩石时， t ⋯⋯- ～一一一一～一一⋯一⋯一。 机械传动系统受到外部负荷冲击作用处1 二严重超 载工况．这时传动系统的扭矩会突然增大．如不及 时调整扭矩和转速．饭易使主动链的元部件受到损 同样采用上述的计算模型．在距截面中心d 针对厚壁圆筒受内压的应力以及变形f n 】题所 2 1 0m m 处开一西1 0 的圆孔．施加边界条件得到的 V o n m i s e s 应力云图如罔3 所示。 ，坍甲‘锰着鼍舞矛亏翥铲喘 9 50 2 52 7 05 3 24 4 6 0 3 96 2 15 4 6 7 97 0 5 3 图3 截面开孔V o n m i s e s 应力云图 最大V o n 一血s e s 应力为7 7 7 ．0 3 2M i r a 。与理沦计 算的误差 6 FI 7 3 0 ．6 6 - 7 7 7 ．0 3 2i ％6 ．3 ％ ”’l 7 3 0 ．6 6r ”。“7 以此为基础．通过A P D L 参数化设汁语言对受 压油缸壁厚应力变形问题进行参数化建模．形成针 对浚类问题的计算程序．简化了设计过程． 4 结语 4 6 进行的理论归结．辅以有限元分析验证可知，在对 缸体壁厚进行分析时采用有限正方法所得到的计 算结果与理论值是接近的．在实际的工程计算中可 以作为设计的依据。同时对于厚壁缸筒在截面上开 孔所造成的应力集中影响．本文根据弹性力学理论 的基本公式．经过推导后得到的戊力集中解析解并 与采用有限元方法计算得到的结果进行比较．二 者是接近的．，敞可以以此得到在定截面上开孔的大 小对缸筒强度影响的关系．为设计提供较好的参考 参考文献 【1 ] 州鸿史材料山学I MJ ．北京高等教育m 版十t ．1 9 9 2 i 2 ] 曾擎，有限元仆枷压应用讲义【M 1 ．北京清华人哔m 版社．2 0 0 4 【3 ] t 勋成．邵敏f I 限单元法基本娘理和数值山法MJ 北京清华 大学j { { 板1 9 9 7 [ 4 ] 张宇，开孔应力集巾现象的分析【J ．一蓖技术．2 0 0 6 6 } 6 2 - 1 5 3 作者简介”存锹 1 9 8 5 一 ．江。j ’朝符1 人，研究牛．机械1 ‘程师， 2 0 0 9 年7 月毕业于略尔滨丁业大学机械设计及理沧々业．现任沈用 i 一韭坦装备有限公“】主护研究院．债货椎压支架_ r f | 乳化液阀的世 计汗发I 作．I U 话0 2 4 3 1 8 0 8 4 1 5 ．1 U 于信箱r i l e y ⋯r e l y O ／t l , e f t 责任编辑卢盛存收稿日期2 0 1 l - 5 0 3 万方数据 V 0 1 ．3 3 N o ．0 1滚筒式采煤机扭矩与转速的测量研究蔡翰志第3 3 卷第0 l 期 坏。扭矩测量历来是旋转件测试的重点和难点问 题，而且煤矿环境复杂．不利用数据传输，要想测量 到精度较高的瞬态扭矩和转速就更难了。为此，采 用半导体电阻应变片全桥电路采集传动轴扭矩信 号来达到提高测量精度的目的．并将数据通过无线 通信模块传送到处理中心．这样就可以实时监测滚 筒式采煤机的扭矩和转速信息．一旦出现扭矩发生 异常情况．就可以迅速调整工作状态。对于提高滚 筒式采煤机运转可靠性和保护主传动系统具有重 要意义。 1 扭矩和转速测量电路设计 1 扭矩测量电路 扭矩传感器采用半导体电阻应变片全桥电路 设计。传动轴扭矩测量电路如图1 所示，沿与滚筒 式采煤机传动轴轴心成4 5 0 的方向上分别粘贴4 个 应变片，构成测量扭矩的全桥电路，当应变片受到 扭矩作用时．就可以在电桥输出端得到与扭矩成正 比的电压信号。 图1 传动轴扭矩测量电路 当传动轴受扭力作用产生微小变形后．轴表面 与轴线呈4 5 。和1 3 5 0 方向上分别产生最大压应力和 拉应力．粘贴在轴上的应变桥阻值发生相应的变 化，应变片R 。、R 2 、R ，和凡分别产生最大正负应变， 阻值的变化使A 和曰两点产生最大的电势差．并待 后续电路处理。假设4 个电阻R ， R z R ， R 4 R 。4 个 电阻的变化量分别为A R ，、A R 、A R ，和A R 。，则输出 电压 址孚K c 等一等一等 等， 式中。艮一应变片的灵敏系数 U 。应变片电桥供电电压。 应变电桥的输出应变 器的光束，根据转速的不同，光敏探测器对应输出 不同频率的脉冲信号。转速测量电路原理如图2 所示。 图2 转速测■电路 通过对脉冲信号的处理．又已知轮盘上齿的总 个数．即可得到传动轴在血时间的瞬时转速 儿⋯ 口庐了砚F L 斗， 式中n 在 时间内通过光源与光感探测器 的轮盘齿的个数 f V 二一齿轮盘上齿的总个数． 理论上来讲．在光电探测器的响应频率范围 内。齿轮盘上的齿数越密集，血取的足够小．测得的 秽。精度就越高，越接近传动轴的瞬时转速。 3 调理电路 粘贴在传动轴上的应变片扭矩测量电路将产 生的形变转换为电压信号．由于这个电压信号是非 常微弱的．所以必须经过调理后电路后才能被利 用．就能输出在一定范围内的电压值。需要经过 M A X 4 1 9 4 放大电路、M A X 7 4 1 4 滤波电路。再经过处 理器的A D C 转化为数字信号后．这个电压与扭矩成 对应的关系。信号调理电路如图3 所示。 瞪盈3 圆M A X 4 1 9 4 [ 口霪口口阖 1 2 传输系统模块组成3 ’ 圈 调理电路 占 嵩争≈I 噌r 嚼3 缸 2 U I 则作用于轴上的扭矩 胙孚占 孚等 署． 3 从式 3 中可知，扭矩帆与电桥的电压输出成正 比。其中，形。为传动轴截面的抗扭模数，G 为剪切弹 性模量而当传动轴为实心轴的情况时，W p - - - O ．2 D 3 。 2 转速测量电路 系统主要由数据采集发送端和上位机组成。系 统组成如图4 所示。数据采集与发送端由扭矩传感 器、转速传感器、控制器L P C 2 1 2 9 、无线通信模块 n R F 2 4 0 1 以及锂电池供电管理单元等组成．负责完 成传动轴扭矩与转速的采集．并通过无线通信将采 集到的数据发送到上位机上位机主要有控制器 L P C 2 1 2 9 、无线模块n R F 2 4 0 1 和l 台P C 机组成．负 责完成扭矩和转速数据的接收、显示、存储和分析 等。 { 卖匦胬糯匦剩； 转速测量电路主要由光源、光敏探测器和介于 它们之间的齿轮盘组成。齿轮盘固定在传动轴上， 当传动轴转动时，齿轮盘随之同步转动，轮盘上 的齿连续不断地遮挡和导通从光源射向光敏探测 一4 7 一 1 控制器 围4 系统组成 万方数据 第3 3 卷第O l 期滚筒式采煤机扭矩与转速的测量研究蔡翰志V o L 3 3 N o ．0 l L P C 2 1 2 9 是数据采集的主控制器．主要实现通 过A D C 将扭矩输出的电压信号进行模数转化．利用 计数器实现对转速传感器输出的脉冲信号进行计 数．并将这些数据通过S P I 接口送给无线模块发送 出去在上位机端，L P C 2 1 2 9 作为控制器主要完成无 线模块与P C 机的通信．将从S P I 接口接收的数据 转成串行接I I ．是上位机实现对扭矩和转速的实时 监测。 2 无线通信模块n R F 2 4 L O l n R F 2 4 L 0 1 是工作在2 ．4 ～2 ．5G H z 频段的单 片射频收发器．集成度非常高。内置了晶体振荡 器、调制器、功率放大器和频率合成器等模块．并 且支持E n h a n c e dS h o c k B u r s t 和S h o c k B u r s t 两种 数据传输方式．其中输出功率和通信频道可通过 程序进行配置。n R F 2 4 L 0 1 功耗低，在以一6d B m 的 功率发射时，工作电流也只有9m A ，接收时，T 作 电流只有1 2 ．3m A ，多种低功率工作模式 掉电模 式和空闲模式 使节能设计更方便．接口最高速率 可以到达8M b p s ．工作电压1 ．9 ～3 ．6V 。采用S P I 接口进行数据的收发．无线数据的传输速率最高 达2M b p s ，并有自动应答和自动重发射功能。输出 功率、频道分配及协议的选择可以通过S P I 接口进 行设置。 3 上位机 上位机端由于无线通信模块是采用S P I 接口进 行数据传输的．而P C 机没有S P I 接t 3 。所以利用 L P C 2 1 2 9 控制器将S P I 接口转成能够被P C 机接受 的U R A T 接E 1 ．实现了数据的转发。 运行在P C 机上的动态数据监测程序采用 V C 6 ．0 软件设计．具有友好的人机交互界面。主要 通过使用串口控件实现与无线通信模块的数据交 换，并把接收回来的数据实时显示到显示屏上．同 时将数据备份到数据库里．以备做后续的分析和处 理。 准法码的方式模拟产生扭矩，得到一组标准扭矩 值同时借助上位机实际测量得到另一组相应的扭 矩。测试数据如表I 所示。 襄1 准确度测试 通过实验结果可以看出该滚筒式采煤机的瞬 态输出扭矩最大相对误差为0 ．8 1 ％．平均相对误差 为0 ．4 8 ％．具有较高的测量精度。 5 结语 为了测量滚筒式采煤机的瞬态输出扭矩和转 速．利用传动轴在受到扭矩作用时发生微小形变特 性．通过在传动轴上粘贴应变片的方法解决了扭矩 难以测量的问题．同时。利用无线模块将数据实时 传回到上位机实现了测试结果的实时监测。经过在 扭矩实验平台上的参数校准和准确度测试．准确度 优于0 ．8 1 ％，表明该测试系统具有较高的测量精度。 该系统体积微小．工作稳定可靠。克服了以往存在 的不能对转速和扭矩实时监测的缺点．对于提高滚 筒式采煤机运转的可靠性和保护主传动系统具有 重要意义。 参考文献 [ 1 ] 李晓晖．智能型煤矿用全液压钻机性能检测装置的研制与使用【J 】． 煤矿机械2 0 0 8 ．2 9 1 2 1 0 8 - 11 0 ． [ 2 ] 朱春梅，王朝霞，胡啸峰．回转机械扭矩测量系统设计[ J ] ．煤矿机 械／2 0 0 8 , 2 9 1 2 1 3 3 1 3 5 ． C 3 ] 支I l 丽霞．车辆扭矩与转速测试系统[ J ] ．仪表技术与传感器，2 0 1 0 7 8 9 - 9 1 ． [ 4 ] 刘靖，陈在平，李其林．基于n R F 2 4 L O I 的无线数字传输系统[ J ] ． 天津理1 大学学报．2 0 0 7 ．2 3 3 3 8 - 4 0 ． [ 5 ] 孙瑶，李男男．王建坤，等．基于D S P 的脑电信号采集系统在基础 体温测量中的设计[ J ] ．南开大学学报 自然科学版 ，2 0 1 0 3 5 8 6 0 4测试结果 [ 6 ] 张德银，黄大贵，陈敏，等．新型智能扭矩转速传感器及其实验研究 该系统在实际应用之前需要在扭矩实验台上 进行了参数校准和准确度测试。在2 5 ℃的环境条 件下．采用标准扭矩加载装置对所设计的扭矩传感 [ J ] ．传感器技术，2 0 0 4 ，2 3 3 5 4 5 5 ． 作者简介蔡翰志 1 9 6 9 一 ，湖南涟源人，讲师，湖南省娄底职 业技术学院机电工程系，研究方向为机械制造及自动化。电子信箱 caihanzhild126．coin． 器反复测量进行标定测量。通过在传动轴上加载标责任编辑卢盛春收稿日期2 0 l l 一0 6 一l o 七盎屯； g 爷e 名Ⅵ乒h 蛤瞄蹴蛉e 五q 二N 寥} e 写吨分蛤 矗＼- 卷蝓 石、 石、g 寄● 竺穹吧石吨f 乳 岔 磊‘、蛉蠕蝣、蠕曲、缔坼 ， 磊、；，1 5 - } - 、蛤七石N 多乱g 写世彳“哆争 莱芜煤机公司成为“山东省企业专利协会常务理事单位” 1 0 月1 7 日．在山东省第i 届企业专利协会理事 扩大 换届大会上。山东煤机集团莱芜煤机公司被选为“山东省企业专利协 会常务理事单位”．该公司技术中心标准化室主管王书博当选为常务理事。 多年来．莱芜煤机公司始终把专利T 作作为企业技术创新的“助推器”．把自主知识产权作为企业核心竞争力的强力技术支 承，结合企业技术创新的实际情况，制定开展专利工作的规划、计划和管理办法．建立、健全企业内部々利工作规章制度，充分 发挥专利制度在企业技术创新和参L j 国内、国际市场竞争巾的作用，将专利』作纳入食业生产、经营与决策的各个环节，成为 企业参与目际国内I f i 场竞争的核心要素和战略性资源．推动了企业的快速发展。，截止H 前．该公司共取得田家专利5 9 项，其中 发明专利3 项。这些专利产品广泛应用于该公司的产品巾，为企业创造r 可观的经济效益．成为企业产品竞争的一大亮点。被 山东省科学技术厅、山东省知识产权局授予“中国孥利山东明星企业”荣誉称号。 苗成标 ．．．4 8 ．．． 万方数据