重型刮板输送机张力检测系统设计

(1.中国矿业大学机电工程学院, 江苏徐州 221116； 2．连云港天明装备有限公司, 江苏连云港 222062)

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

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70%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[1-3]。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[4-7]。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WSN和FCS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[9]结合LabVIEW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[10]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[11]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(MID)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[12-13]。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。

图1 刮板输送机驱动牵引系统

依据MT/T 323—2005《中双链刮板输送机用刮板》，本文设计的刮板长度为1 234 mm，链中心距为280 mm，孔距为520 mm，螺栓孔直径为33 mm，适应槽宽为1 250 mm，配合链条规格为φ48 mm×152 mm。运用Creo2.0对刮板组件进行三维建模，然后将模型导入ANSYS软件进行自由网格划分，设置网格形状为三角形，相关度为100，网格划分如图2所示。

图2 刮板组件网格划分

刮板输送机运行过程中需承受拉压、局部弯曲、时变载荷与冲击等作用，因此，目前矿用刮板多采用合金结构钢。本文刮板组件的材料为42CrMo，材料机械性能参数：弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3；螺栓材料为Q235，材料机械性能参数：弹性模量为208 GPa，泊松比为0.3，密度为7 860 kg/m3。

刮板组件由刮板和压板构成，通过螺栓连接在一起，刮板组件各部分约束关系如图3所示。分析刮板组件作用力时，刮板组件只在运行的方向上有位移，其他方向的位移均为零。刮板组件运行过程中需要克服自身与中部槽摩擦力，因此，在刮板与圆环链接触处沿运行方向施加张力差与其平衡[14]。中部槽上物料断面积为0.67 m2，物料密度为900 kg/m3，刮板宽度为0.12 m，刮板自身质量为115 kg,刮板组件与中部槽摩擦系数为0.4，摩擦力为750 N。

图3 刮板组件各部分约束关系

经过ANSYS分析后，得出刮板组件的应力云图，如图4所示。从图4可看出，刮板组件运行过程中受到摩擦力作用，最大应力为1.897 4 MPa，出现在与中部槽接触的底面。此外，与圆环链相互接触的链窝处受力相对较大，约为0.4～0.5 MPa，可以针对这些张力敏感点，安装应变传感器，以进行张力测量。

图4 刮板组件的应力云图

2 张力检测系统设计

刮板输送机链条与链轮啮合并在中部槽上不断移动，其张力也随载荷实时变化，直接测量整条链条的张力难以实现。通过分析刮板组件受力发现，刮板组件与圆环链相互接触的链窝处受力相对明显，针对这些张力敏感点，在若干刮板输送机刮板上布置应变传感器，测量刮板和链条之间弱耦合点的张力,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监测。

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所示。

1-刮板输送机上刮板； 2-刮板输送机下压板； 3-立链； 4-横链；5-定位孔； 6-设备安装槽； 7-引线槽； 8-引线孔； 9-横链槽；10-立链贴片槽； 11-立链链窝

图5 改造后的刮板组件结构

改造后的刮板组件由刮板输送机上刮板和下压板2个部分组成，刮板输送机链条包括立链和横链，立链通过立链链窝与刮板接触，横链通过横链槽与刮板接触；刮板输送机刮板和链条基于定位孔、通过定位螺栓连接成一个整体；引线槽和引线孔用于应变传感器布线。

应变传感器安装方案如图6所示，应变传感器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[15]。

91-上刮板横链贴片槽； 92-下压板横链贴片槽；101-上刮板立链贴片槽； 102-下压板立链贴片槽；12-固定凸台； 13-固定槽

图6 应变传感器安装方案

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。

图7 无线信号传输原理

3 结语

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。

[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，2011，37(12):24-26.

[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，2008,21(8):128-130.

[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，2008,28(4)：41-42.

[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,2012,23(10):1200-1204.

[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),2012.

[6] 蒋恒深，张晓光，李辉,等.基于Zigbee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，2010(9):36-39.

[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究[J].系统仿真学报,2011,20(16):4474-4484.

[8] 骆小红，赵社友.基于WSN和FCS的刮板输送机监控系统的设计[[J].中国煤炭，2014,40(8):79-82.

[9] 朱艳君，肖兴明.基于LabVIEW的刮板输送机状态监测系统设计[J].矿山机械，2012,40(3):19-22.

[10] 赵哲谦，赵四海，胡于伟，等.刮板输送机传动装置无线检测系统设计[J].工矿自动化，2014,40(3):16-19.

[11] 于林.矿用重型刮板输送机断链故障监测传感器研究[J].煤炭学报,2011,36(11):1934-1937.

[12] 张强，郭桐，王海舰，等.基于微应变的刮板输送机张力测试系统及特性分析[J].仪表仪器与传感器，2016(6)：72-74.

[13] 王志高.刮板输送机链传动系统动态仿真分析研究[D].天津：天津科技大学，2013.

[14] 何柏岩，孙阳辉，聂锐，等.矿用刮板输送机圆环链传动系统动力学行为研究[J].机械工程学报，2012，48(17):50-56.

[15] 吴孙阳，张行，卢明立,等.基于应力突变的刮板输送机断链检测系统[J].工矿自动化，2016，42(4):23-27.

(1.School of Mechanical and Electronical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China; 2.Lianyungang Tianming Equipment Co., Ltd., Lianyungang 222062, China)

Abstract：In view of problem that tension of scraper conveyor is difficult to effectively monitor in running process, a tension testing system of scraper conveyor based on finite element analysis was designed. The sensitive spot of tension between scraper and scraper chain was found by analyzing the force relation between the scraper and scraper chain. The tension of weak coupling point between the scraper and the chain was measured by embedded strain sensor in several scrapers, so as to obtain tension distribution of the scraper chain. The system realizes dynamic monitoring of tension of scraper conveyor chain.

Key words：coal mining; scraper conveyor; tension monitoring; strain sensor; wireless transmission

基金项目：国家自然科学基金项目(51475455)；江苏省科技成果转化专项资金项目(BA2014113)；江苏省政策引导类计划(产学研合作)——前瞻性联合研究项目(BY2015023-08)。

作者简介：任威(1992-)，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-mail：1757771459@qq.com。

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170301.1507.002.html

任威，卢明立，杨志明，等.重型刮板输送机张力检测系统设计[J].工矿自动化，2017,43(3)：6-9.