基于應力突變的刮板輸送機斷鏈檢測系統

吳孫陽，　張行，　盧明立，　楊志明，　閔令江,　李偉

(1.中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州　221116；

2.連云港天明裝備有限公司， 江蘇 連云港　222062)

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基于應力突變的刮板輸送機斷鏈檢測系統

吳孫陽1，張行1，盧明立2，楊志明2，閔令江2,李偉1

(1.中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州221116；

2.連云港天明裝備有限公司， 江蘇 連云港222062)

摘要：針對重型刮板輸送機斷鏈事故頻發問題，設計了基于應力突變的刮板輸送機斷鏈檢測系統。該系統利用應變傳感器實時檢測出刮板輸送機是否發生鏈條斷裂，能準確判斷哪根鏈條發生斷裂，克服了已有檢測技術的不足，具有簡單易行、靈敏度高、準確性高的特點。仿真結果驗證了該系統的可行性。

關鍵詞：刮板輸送機； 斷鏈檢測； 應力突變； 應變傳感器； Adams動態仿真

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.0906.006.html

0引言

重型刮板輸送機是礦井綜采、港口運輸等的主要運輸設備，其刮板鏈是重要的運動受力部件，刮板鏈材料的強度、韌性、耐磨性和抗腐蝕性能必須滿足強度要求，但在實際生產過程中，受到材料性能不合格、磨損嚴重和使用維修不夠標準等因素的影響，斷鏈現象較為普遍[1]。據不完全統計，刮板輸送機事故中約有52.2%由斷鏈引起，對整機安全運行和沿線工作人員生命安全構成巨大威脅。

由于刮板輸送機工作環境復雜多變，斷鏈故障難以采用磁電效應、光學變形和超聲波裂紋檢測等手段進行有效評估，斷鏈檢測仍是亟待解決的技術難題。目前，已有的斷鏈檢測方法如驅動電動機電流檢測法和張緊液壓缸壓力檢測法，可有效完成全部鏈條斷裂狀態的檢測，但不適用于部分鏈條斷裂的情況，具有一定的局限性。刮板輸送機斷鏈時要承受巨大的載荷沖擊作用，造成載荷分布不均，為此，本文基于應力突變原理，結合刮板輸送機鏈輪鏈條嚙合規律[2]，提出了一種新型的刮板輸送機斷鏈故障檢測系統。該系統通過應變傳感器對鏈輪最大受力區應力應變信號進行數據采集，然后將信號經無線信號傳輸裝置發送至信號分析裝置，再將信號處理結果通過線纜傳遞到服務器和上位機，以對數據分析結果進行進一步分析判斷，進而完成故障判斷，當故障發生時，采取必要的應急措施，避免重大事故發生。此外，本文基于Adams虛擬樣機技術[3]，針對刮板輸送機多接觸問題進行相關研究，通過模型簡化，對刮板輸送機斷鏈過程進行仿真分析，進一步驗證了刮板輸送機斷鏈故障檢測系統的可靠性。

1系統原理

刮板輸送機斷鏈故障發生時，必然是一根鏈條首先斷裂，由此直接引起其他鏈條受力突增，當受力超過允許值時，其他鏈條無法承受載荷沖擊而相繼斷裂；根據鏈輪鏈條嚙合規律，刮板輸送機某個鏈條發生斷鏈的同時，會伴隨2個明顯變化：① 與其嚙合的鏈輪輪齒變形量短時間內會發生突變。② 與未發生斷鏈鏈條嚙合的鏈輪輪齒受力面變形量短時間內無明顯變化。

刮板輸送機斷鏈檢測系統整體結構如圖1所示，刮板輸送機鏈條受力[4]主要有刮板鏈鏈輪輪齒壓力、與中部槽之間的摩擦力、刮板鏈繞過鏈輪組件時的彎曲阻力、中部槽彎曲時的附加阻力、傾斜運輸時物料和刮板鏈鏈條的自重分力等。圓環鏈與鏈輪承受較大的靜載荷和動載荷，經常處于沖擊和脈動負荷下的環境，極易發生斷鏈事故。系統通過對比與不同鏈條嚙合的鏈輪輪齒受力面的應力變形情況，來判定刮板輸送機某個鏈條是否發生斷鏈，在全部鏈條斷裂之前及時采取必要的停機措施，避免發生嚴重損壞事故。

1-電動機； 2-膠帶傳動系統； 3-減速器； 4-聯軸器； 5-鏈輪；

2系統設計

2.1斷鏈檢測機構

刮板輸送機斷鏈檢測機構如圖2所示。整個機構設計基于原有刮板輸送機機頭鏈輪傳動部分：在主軸端部機械加工伸長軸，用于固定倉體的安裝；在主軸末端上開引線槽，用于若干組應變傳感器布線；軸端位置采用螺栓連接的方式，將伸長軸與主動軸固定，實現固定倉體和鏈輪組件同步旋轉；固定倉體用于安裝供電裝置、數據信號采集設備和無線傳輸設備。

1-主軸； 2-調心軸承； 3,4-驅動鏈輪； 5-引線槽； 6-擋圈；

2.2無線信號傳輸模塊

無線信號傳輸模塊主要由若干組應變傳感器、數據信號采集設備、無線信號傳輸設備、信號處理裝置和供電裝置等組成[5]。數據信號采集設備用于對若干組應變傳感器應力應變進行數據采集；無線信號傳輸設備用于數據信號的無線傳輸；信號處理裝置可對采集到的數據進行進一步處理；供電裝置用于各設備的供電。

2.3應用實施方案

刮板輸送機鏈輪鏈窩位置變形最大，應變傳感器布線安裝如圖3所示，陰影部分為受力區域。若干組應變傳感器貼于相同相位的鏈輪輪齒根部，可隨鏈輪組件同步旋轉，防止應變傳感器受損且便于應變傳感器貼片。以一組應變傳感器布線為例，應變傳感器線纜從鏈輪輪齒間橫鏈槽的中部引出，并在鏈輪軸上通過軸向凹槽導引，最終連接到鏈輪軸軸端的固定倉體內部的數據采集儀上，斷鏈檢測所需的信號分析裝置、無線傳輸裝置和供電裝置等安裝于固定倉體內部，可隨主軸同步旋轉，克服了整個鏈輪應變檢測系統設備安裝引線帶來的不便。

1-受力區； 2-應變傳感器； 3-線纜； 4-引線槽； 5-伸長軸；

在刮板輸送機斷鏈檢測過程中，首先通過上位機進行初始化，設置應變變化率閾值J1(%)；然后，通過若干組應變傳感器采集與不同鏈條嚙合的鏈輪輪齒受力面的應變數據；數據采集儀采集應變傳感器傳來的應變信號并進行轉換，并通過固定倉體內無線路由器進行信號發射；位于信號處理系統中的無線路由器接收來自固定倉體的無線信號，并將其傳送給信號分析裝置進行分析；信號分析裝置可實時計算兩側鏈輪輪齒受力面的應變變化率W1(%)，判斷輪齒受力面的應變是否突變，并將分析結果通過線纜傳遞到服務器，再傳遞到上位機進行進一步分析判斷。無線信號傳輸模塊原理如圖4所示。

圖4　無線信號傳輸模塊原理

上位機實時比較存儲在服務器中的來自信號分析裝置的分析結果(與不同鏈條嚙合的鏈輪輪齒受力面應變變化率W1)與所設定的應變變化率閾值J1之間的關系：若在每10 s內的任意時刻出現W1>J1，且其他輪齒受力面應變增大或其他輪齒的|W1|<10%，則可判定刮板輸送機上與應變在10 s內突然減小J1以上的輪齒嚙合的刮板鏈發生了斷鏈。當檢測到斷鏈時，上位機立即動作，預警并停機處理，否則上位機不動作，循環執行檢測過程。檢測系統工程流程如圖5所示。

3Adams虛擬樣機仿真

3.1虛擬樣機仿真參數設置

刮板輸送機的動態仿真系統中，仿真模型的接觸情況很多，仿真過程中，通過合理設置參數[6]、正確選擇積分算法等取得了良好效果。

(1) 接觸碰撞模型參數接觸剛度K和阻尼系數C的確定:

圖5　檢測系統工作流程

(1)

(2)

式中：R1，R2為相互碰撞的2個構件的曲率半徑；E1,E2為2個構件的材料彈性模量；μ1,μ2為2個構件的材料泊松比。

(3)

式中：e為相互碰撞的2個構件的碰撞恢復系數；n為接觸力的非線性指數(Force Exponent)；U為2個接觸體碰撞時接觸點處的相對速度；δ為2個構件的最大接觸穿透深度(Penetration Depth)，一般取為0.1 mm。

C表征碰撞能量損失，通常設為剛度系數的0.1%～1%，根據計算得出的初始值，并在鏈傳動仿真過程中反復調整，取K=1.0×104 N/mm，C=50 N·s /mm。

(2) 積分和其他參數設置。鏈傳動系統仿真過程中，設置積分器(Integrator)為GSTIFF，積分格式為I3，積分誤差設為0.001。校正器(Corrector)和積分多項式階數(Kmax)等由系統默認設置，通過多組實驗數據表明，綜合考慮設置仿真步數(Steps)為1 000時，仿真效率最高。

3.2驅動函數設置

在2個鏈輪組平面鉸接副處施加旋轉驅動，采用Step 函數的使用格式為step(time,0,0,0.1,36d)，旋轉驅動特性曲線如圖6所示。

圖6　旋轉驅動特性曲線

3.3斷鏈故障仿真分析

為了模擬刮板輸送機斷鏈時鏈輪鏈條嚙合過程中的應力變形情況，檢測應力突變，通過creo2.0建立鏈傳動模型，如圖7所示。

1-鏈輪組件； 2-上中板； 3-刮板組件； 4-鏈條(標記平鏈)；

刮板輸送機刮板和中部槽模型較為復雜，仿真占用了大量計算機資源，求解困難，通過對鏈傳動系統的三維幾何模型添加約束并在虛擬樣機模型中圓環鏈之間以及圓環鏈與鏈輪之間定義接觸[7]，并對驅動鏈輪和從動鏈輪定義驅動，實現了整個刮板輸送機鏈傳動系統的仿真。通過人為設置故障[8]，得到刮板輸送機鏈傳動系統從卡鏈到斷鏈的運行過程，如圖8所示。在0～0.1 s內，鏈輪轉速達到30°/s，并以此轉速勻速旋轉，設置仿真時間為5 s，仿真步數為500歩。

圖8刮板輸送機故障仿真

刮板輸送機斷鏈故障發生時，一旦鏈條受力超過允許值，便會因無法承受載荷而發生斷裂，根據鏈輪鏈條嚙合規律，與鏈條嚙合的鏈輪輪齒變形量短時間內會發生突變。在刮板輸送機斷鏈故障仿真過程中，非標記鏈條所在的鏈首先斷裂，由此直接引起其標記鏈條所在鏈受力突增，鏈條嚙合的鏈輪輪齒受力面變形量短時間內相應發生突變。圖9為標記鏈條和鏈輪嚙合過程中受力變化規律。從圖9可以看出，刮板輸送機從正常啟動開始，到平穩運行，再到卡鏈并最終斷鏈的整個過程中，在1.8～1.9 s處應力突變明顯。

(a) X方向接觸力

(b) Y方向接觸力

(c) Z方向接觸力

(d) 總體接觸力

通過以上仿真可以得出，在刮板輸送機斷鏈的過程中，存在著應力突變，說明該刮板輸送機斷鏈檢測系統是可行的。

4結語

基于應力突變的刮板輸送機斷鏈檢測系統通過應變傳感器測量與不同鏈條嚙合的鏈輪輪齒受力面的應變，及時檢測出刮板輸送機是否存在鏈條斷裂隱患，且能準確判斷哪根鏈條發生斷裂。該系統可以在鏈條全部斷裂前發出報警信號，避免了刮板輸送機鏈條全部斷裂引起的設備嚴重損壞和經濟損失，具有靈敏度高、準確性高的特點。

參考文獻：

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Chain scission detection system of scraper conveyor based on stress mutation

WU Sunyang1，ZHANG Xing1，LU Mingli2，YANG Zhiming2，MIN Lingjiang2，LI Wei1

(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：For problem of frequent accidents of chain scission of heavy-duty scraper conveyor, a chain scission detection system of scraper conveyor based on stress mutation was designed. The system can detect by strcuin sensor in real time whether the chain breakage occurs, and accurately determine which chain is broken. The system is effective with simple operation, has high sensitivity and high accuracy, which overcomes shortcomings of existing detection technology. The simulation results verify the feasibility of the system.

Key words:scraper conveyor; chain scission detection; stress mutation; strain sensor; Adams dynamic simulation

作者簡介：吳孫陽(1992-)，男，江蘇東臺人，碩士研究生，研究方向為狀態監測及故障診斷，E-mail:1015365716@qq.com。 譚長森(1983-)，男，江蘇邳州人，工程師，現主要從事礦山機電設備控制方面的研發和推廣工作，E-mail:tcs1983@126.com。

基金項目：教育部新世紀優秀人才支持計劃項目(NCET-13-1018)；江蘇省科技成果轉化專項資金項目(BA2014113)。 科技部科研院所創新資金項目(2014EG122198)；天地(常州)自動化股份有限公司研發項目(12SY013)。

收稿日期：2015-11-26；修回日期：2016-02-22；責任編輯：胡嫻。 2015-12-09；修回日期：2016-02-03；責任編輯：張強。

中圖分類號：TD528.3

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-04-05 09:06

文章編號：1671-251X(2016)04-0023-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.006

吳孫陽，張行，盧明立，等.基于應力突變的刮板輸送機斷鏈檢測系統[J].工礦自動化，2016,42(4)：23-27.