刮板輸送機(jī)張力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

陳 希，馬忠鑫，程新龍

(安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院,河南 安陽 455000)

0 引言

刮板鏈作為刮板輸送機(jī)重要組成部件，其張力大小直接影響整機(jī)工作穩(wěn)定性[1]。刮板鏈的結(jié)構(gòu)組成決定了其具有一定粘性及彈性。工作時(shí)，刮板所受摩擦阻力較大，重載長時(shí)間運(yùn)行將致使刮板鏈彈性拉長，張緊力下降，產(chǎn)生卡鏈、斷鏈等問題。而張緊力過大時(shí)，刮板輸送機(jī)運(yùn)行阻力增加，增大功耗[2]。因此，實(shí)時(shí)檢測刮板輸送機(jī)刮板鏈張緊力，對保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行及節(jié)能減耗具有重要作用。

針對刮板鏈張緊力問題，近年來眾多學(xué)者從控制調(diào)節(jié)及理論計(jì)算等方面進(jìn)行了深入研究，但尚未實(shí)現(xiàn)刮板鏈張緊力的實(shí)時(shí)檢測[3]。對此，本文根據(jù)壓電振動(dòng)浮能技術(shù)，設(shè)計(jì)了刮板輸送機(jī)自供電張力實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。對刮板與圓環(huán)連接處進(jìn)行改造，通過微應(yīng)變檢測，完成工作過程中刮板鏈張緊力的實(shí)時(shí)檢測。采用刮板內(nèi)置壓電浮能及無線信號(hào)發(fā)送裝置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自供電及檢測信號(hào)發(fā)送，確保了檢測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作，避免了電池模塊更換對傳感器等部件的損壞。

1 檢測系統(tǒng)模型及張緊力標(biāo)定

1.1 檢測系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

由于刮板輸送機(jī)工作環(huán)境惡劣，檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面影響。本文在確保鏈環(huán)和刮板工作強(qiáng)度的前提下，將檢測系統(tǒng)安裝于兩者連接處。檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

刮板經(jīng)改造，其上、下端部開槽、孔布線，將通信及供電線纜安裝于上端部，無線信號(hào)傳送及壓電浮能裝置安裝于下端部，與刮板連接鏈環(huán)外側(cè)進(jìn)行銑削并粘貼應(yīng)變片[4]。對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)處理，確保刮板和鏈環(huán)精準(zhǔn)嚙合，以保證張力檢測精度。

運(yùn)行過程中，由于摩擦及載荷作用，刮板處于連續(xù)且劇烈振動(dòng)狀態(tài)，通過壓電浮能裝置將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，為無線信號(hào)發(fā)送及張力檢測應(yīng)變片持續(xù)供電[5]。無線信號(hào)發(fā)送裝置將應(yīng)變片檢測的刮板鏈張力實(shí)時(shí)變化情況傳送至上位機(jī)張力信號(hào)采集系統(tǒng)，用于后期信號(hào)分析與處理[6]，完成刮板輸送機(jī)張力的實(shí)時(shí)監(jiān)測。刮板鏈張力實(shí)時(shí)檢測原理如圖2所示。

圖2 刮板鏈張力實(shí)時(shí)檢測原理圖

1.2 系統(tǒng)張緊力標(biāo)定

為確保刮板輸送機(jī)張力檢測精度，在安裝張力檢測傳感器前，需對張力進(jìn)行標(biāo)定。檢測系統(tǒng)主要作用為檢測刮板鏈張緊力，而非確定應(yīng)力分布情況。因此，張力檢測系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)采用直接標(biāo)定法[7]。鏈環(huán)、刮板、傳感器安裝及受力位置應(yīng)與實(shí)際工況相符合，以確保標(biāo)定數(shù)值的精準(zhǔn)性。張力每次加載值應(yīng)適中且按照增加或減小有序加載，本文取100 kN升序加載。同一加載值進(jìn)行多次測定，取應(yīng)變量平均值。鏈環(huán)傳感器標(biāo)定值如表1所示。

表1 鏈環(huán)傳感器標(biāo)定值

根據(jù)表1中鏈環(huán)張力傳感器標(biāo)定值，通過MATLAB編程求解法，可得刮板鏈張力二次擬合式為：

式中：ch1為實(shí)際檢測張力微應(yīng)變，με;F1為實(shí)際檢測張力值，kN。

刮板鏈張力標(biāo)定二次擬合曲線如圖3所示。

圖3 刮板鏈張力標(biāo)定二次擬合曲線

2 壓電振動(dòng)浮能器

無線信號(hào)發(fā)送裝置及張力傳感器安裝于刮板和鏈環(huán)的連接處[8]。刮板輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其隨刮板連續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此無法通過線纜長期供電。張緊力檢測系統(tǒng)為實(shí)時(shí)檢測，若通過電池供電，則需定期停機(jī)拆卸刮板進(jìn)行電池更換，不僅操作繁瑣復(fù)雜，而且反復(fù)拆卸過程中容易造成傳感器及無線信號(hào)發(fā)送裝置的損壞，降低檢測精度?；诖?，本文采用壓電振動(dòng)浮能器，實(shí)現(xiàn)對傳感器及無線信號(hào)發(fā)送裝置的長期、穩(wěn)定供電。

2.1 壓電振動(dòng)浮能結(jié)構(gòu)及工作原理

張力檢測系統(tǒng)中的應(yīng)變片及無線信號(hào)發(fā)送裝置是主要能耗裝置。由于刮板開槽處水平空間較大、垂直空間較小，本文設(shè)計(jì)的壓電浮能系統(tǒng)采用多振子水平排列并聯(lián)結(jié)構(gòu)。壓電浮能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 壓電浮能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

壓電振動(dòng)浮能器主要組成部件為質(zhì)量塊、支撐彈簧、限位彈簧、施力桿、壓電振子及封裝外殼。壓電振子由壓電瓷片、基板及連接卡構(gòu)成[9]。施力桿直徑遠(yuǎn)小于壓電瓷片，且作用于壓電瓷片中心，可視為中心載荷。支撐彈簧可限制壓電振子工作狀態(tài)下的載荷強(qiáng)度及確保非工作狀態(tài)下免受質(zhì)量塊作用。一方面，壓電浮能器隨刮板移動(dòng)倒置時(shí)，限位彈簧可支撐施力桿克服質(zhì)量塊重力作用，避免刮板經(jīng)過鏈輪換向?qū)弘娬褡赢a(chǎn)生大沖擊，破壞壓電瓷片；另一方面，限位彈簧限制壓電振子變形量[10-11]。壓電浮能器工作結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 壓電浮能器工作結(jié)構(gòu)參數(shù)表

刮板輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，刮板存在較激烈振動(dòng)，帶動(dòng)質(zhì)量塊上下往復(fù)振動(dòng)；通過施力桿進(jìn)而對壓電振子產(chǎn)生拉壓力，壓電振子產(chǎn)生彈性變形，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2.2 壓電性能分析

評價(jià)壓電振動(dòng)浮能器的主要指標(biāo)為電能獲取高效性及供電穩(wěn)定持續(xù)性。壓電振動(dòng)浮能器電能收集電路如圖5所示。交流-直流電能收集與儲(chǔ)存系統(tǒng)由多壓電振子并聯(lián)振動(dòng)能量采集系統(tǒng)、整流橋、濾波電容及蓄能器共同組成。

圖5 壓電振動(dòng)浮能器電能收集電路

移動(dòng)過程中，刮板處于不同位置時(shí)，振幅不同。刮板不同位置振動(dòng)加速度微應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 刮板不同位置振動(dòng)加速度微應(yīng)變曲線

刮板不同位置供電電路如圖7所示。由于摩擦阻力等影響，刮板在上下端部水平運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)較大[11]，壓電浮能器產(chǎn)生較多電能；產(chǎn)生的電能通過整流電路處理后為應(yīng)變片及無線信號(hào)發(fā)送裝置供電，并將部分電能儲(chǔ)存于蓄電池，供電方式如圖7(a)所示。刮板經(jīng)過鏈輪時(shí)，刮板與鏈輪嚙合，受張緊力作用，振動(dòng)較小，可忽略。此時(shí)，蓄電池釋能供電電路如圖7(b)所示。

圖7 刮板不同位置供電電路圖

由試驗(yàn)測試可知，當(dāng)壓電振動(dòng)浮能器頻率為92 Hz、振幅為66.8 mm時(shí)，工作狀態(tài)最佳。刮板移動(dòng)時(shí)，不同位置負(fù)載功率-時(shí)間曲線如圖8所示。由圖8可知，系統(tǒng)負(fù)載總功率為0.346 W，在壓電振動(dòng)浮能器供電與蓄電池供電切換時(shí)，負(fù)載功率過渡平穩(wěn)，且無震蕩產(chǎn)生。在19 s與72 s處，由于蓄電池充電致使小電流分流，存在負(fù)載功率微降現(xiàn)象。但其對應(yīng)變片及無線信號(hào)發(fā)送裝置并無影響，壓電振動(dòng)浮能系統(tǒng)供電穩(wěn)定，具有較高的可靠性。

圖8 負(fù)載功率-時(shí)間曲線

3 試驗(yàn)測試

為了對張力檢測系統(tǒng)的檢測精度及可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，通過現(xiàn)場實(shí)測分析，對系統(tǒng)工作性能進(jìn)行測試。測試中選取SGZ1000/1710中雙鏈刮板輸送機(jī)。其裝機(jī)功率為2×855 kW，水平無傾角鋪設(shè)長度為80 m，空載鏈速為1.58 m/s，空載運(yùn)行一周所需時(shí)間為103 s。刮板兩側(cè)設(shè)有剛性封閉腔體。其與刮板具有相同的載荷強(qiáng)度，將無線信號(hào)發(fā)送裝置與能量采集模塊內(nèi)置其中。壓電振動(dòng)浮能器通過刮板內(nèi)部線槽對應(yīng)變片及無線信號(hào)發(fā)送裝置供電。將無線信號(hào)接收裝置等距安裝于液壓支架，檢測系統(tǒng)通過無線信號(hào)發(fā)送/接收裝置及以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理。

通過現(xiàn)場測試可知，壓電振動(dòng)浮能器具有穩(wěn)定、可靠的供電性能，可滿足傳感器及無線信號(hào)發(fā)送裝置用電需求。刮板張力微應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線如圖9所示。

圖9 刮板張力微應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線

圖9中，刮板過鏈輪時(shí)產(chǎn)生大幅度張力突變，時(shí)間間隔約為51.5 s;由張力突變檢測的刮板運(yùn)行周期約為103 s，與刮板空載運(yùn)行周期相符。

刮板輸送機(jī)張力應(yīng)變各特征值如表3所示。

表3 刮板輸送機(jī)張力應(yīng)變特征值

對刮板輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)下的一個(gè)循環(huán)周期(190～310 s)進(jìn)行細(xì)化分析，得到一個(gè)循環(huán)周期應(yīng)變曲線,如圖10所示。圖10中，標(biāo)志點(diǎn)分別為一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)鏈輪嚙入、嚙出點(diǎn)及峰值張力微應(yīng)變值。

圖10 一個(gè)循環(huán)周期應(yīng)變曲線

由圖10可知，張應(yīng)力曲線中:A點(diǎn)為208 s時(shí)傳感器位于機(jī)頭鏈輪嚙出點(diǎn)，張應(yīng)力為113 kN；B點(diǎn)為機(jī)尾鏈輪嚙入點(diǎn)，張應(yīng)力為125 kN。A、B兩點(diǎn)差值為刮板輸送機(jī)空載運(yùn)行時(shí)下端鏈運(yùn)行阻力，為12 kN。E、F、H點(diǎn)為傳感器過鏈輪時(shí)峰值點(diǎn)，分別為274.2 kN、236.6 kN、210.6 kN。

各點(diǎn)微應(yīng)變值及由標(biāo)定張力二次擬合公式獲得的標(biāo)志點(diǎn)微應(yīng)變與張力值如表4所示。

表4 標(biāo)志點(diǎn)微應(yīng)變與張力值

4 結(jié)束語

本文綜合分析刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，基于壓電振動(dòng)浮能原理，設(shè)計(jì)了刮板鏈自供電張力檢測系統(tǒng)。通過試驗(yàn)對壓電浮能器供電特性及系統(tǒng)張力檢測精度進(jìn)行分析，并得到如下結(jié)果。

張力實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)裝置信號(hào)的提取，簡化了數(shù)據(jù)采集過程。通過張力標(biāo)定獲得張力應(yīng)變片二次擬合曲線，確保了檢測結(jié)果的可靠性與精準(zhǔn)性。

根據(jù)刮板運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)特點(diǎn)，通過多振子水平并列式壓電振動(dòng)浮能器為應(yīng)變片和無線信號(hào)發(fā)送裝置提供電能，獲得系統(tǒng)負(fù)載實(shí)時(shí)功率，驗(yàn)證壓電振動(dòng)浮能系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性及可靠性。

通過試驗(yàn)對張力檢測系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。由試驗(yàn)結(jié)果可知，檢測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)反饋刮板鏈張力變化情況。分析張力檢測曲線可知，刮板輸送機(jī)運(yùn)行周期為103 s，刮板處于下端鏈時(shí)所受阻力為12 kN，瞬時(shí)張力最大值為274.2 kN。該試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工作情況相吻合。該研究為刮板輸送機(jī)運(yùn)行阻力及張緊力研究奠定了基礎(chǔ)。