礦山刮板輸送機鏈條張緊力檢測系統研究

張 晉 虎

（晉煤集團長平公司，山西 晉城048000）

0 引 言

在礦山機械中，刮板輸送機是關鍵裝備之一，刮板鏈是刮板輸送機的關鍵部件，復雜的作業環境下容易導致鏈條出現故障。當故障發生時，降低煤礦生產的生產效率[1-2]。刮板輸送機中刮板鏈故障方式包括斷鏈、卡鏈等。刮板輸送機刮板鏈故障時，其張力較正常時會有顯著變化。所以，可通過檢測刮板鏈張力的變化判斷其是否在正常工作狀態，從而提高生產效率[3]。

刮板輸送機在礦井中所在位置低，刮板輸送機主要依靠中板的摩擦前進輸送開采下來的煤礦。在礦井中含有大量水分，水位升高有時能淹沒刮板回程。普通情況下安裝的張力檢測系統有時候會受到礦井水分的淹沒，信號受到干擾，檢測結果精度變差。因此，在對刮板輸送機安裝張力檢測系統時，需要考慮礦井下復雜環境的影響[4]。

本文在分析當前煤礦井下刮板輸送鏈張力檢測系統不足的基礎上，設計一種新型張力檢測系統，用于鏈條張力檢測。該系統通過無線電磁信號傳輸，安裝在中板與刮板內部。張力采集裝置獲得刮板上的張力信息，發送給安裝在中板上的數據接收裝置，最后傳至LCD 顯示器或上位機，實現刮板鏈條張力的動態檢測。同時系統加入休眠機制，最大限度降低了檢測系統功率消耗。

1 系統總體結構組成

礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統從功能上分為張力采集裝置、數據接受裝置、接近開關，如圖1所示。

圖1 礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統總體結構

1）張力采集裝置：該裝置的動力輸出源頭是電池，刮板鏈條張力通過應變片采集，采集的信號經放大電路放大，然后依次通過CC2530、射頻模塊傳輸到平板天線。

2）數據接收裝置：天線將刮板鏈條張力接收后，再通過復雜媒介傳給CC2530，信號通過I/O 接口或者USB 接口模塊被解調后傳遞給上位機。

3）接近開關：接近開關包括永磁體和霍爾傳感器兩個重要模塊，這兩個模塊配合工作行成張力采集裝置的休眠機制，降低了采集系統的功率消耗。當信號傳輸完成，采集裝置開始休眠，隨后永磁體再次檢測到信號后喚醒張力采集裝置，開始新一輪數據采集。

2 張力檢測系統安裝

礦山刮板輸送機鏈條張力輸送裝置是運動的，在運動過程中采集張力的困難比靜止時采集難度大，為了完成張力的準確采集，所以把信息采集裝置安裝在刮板內，隨刮板一起運動，從而實現張力采集和傳輸。在礦井復雜的環境下，數據接受裝置安裝位置有嚴格的要求，在合適的位置對于保證檢測數據的準確性具有重要意義。電磁波容易受到礦井水、礦渣等干擾，所以安裝時需要注意。

為了保證礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統的正常工作，需要改造刮板輸送機組件。便于應變片的粘貼，在刮板中部開設槽口；下板加工出通孔和空腔，一方面連接應變片與電路的導線通過下板空腔的通孔接入，另一方面空腔中安裝霍爾傳感器和張力采集裝置；中板中部用于安裝永磁體和數據接收裝置。安裝刮板張力檢測系統的上板、中板、下板結構圖如圖2 所示。

圖2 安裝張力檢測系統的上板、中板、下板結構圖

煤礦井下環境復雜多變，需要保證檢測系統具有相對穩定的工作條件，才能提高檢測精度。對張力檢測系統來說，進行合適的位置安裝能夠有效避免礦山復雜環境對檢測數據的影響和干擾，電磁波容易受到干擾導致數據傳輸出現失誤，從而影響正常檢測結果，嚴重時影響輸送機工作，降低煤礦生產效率。所以，合理的安裝能夠保證系統正常工作狀態，提升檢測系統使用性能。

3 張力檢測系統無線通信傳輸方案

在煤礦開采過程中，礦井中會有大量的礦水，水中含有復雜的鹽離子，這些鹽離子會對數據的采集和傳輸造成干擾。普通帶有電纜線的張力采集系統，容易受到礦井水和礦渣的影響，從而導致數據傳輸受阻。為此，可以采用無線通信的方式實現數據的傳輸，從而有效檢測礦山刮板機鏈條張力。

3.1 無線通信的工作原理

礦山刮板輸送機張力檢測系統采用無線通信的方式，安裝如圖3 所示。由于礦山刮板輸送機的下壓板是鋼這類對電磁波干擾的金屬。所以需要設置防護罩，并且留出信號傳輸口。此外，增加使用對電磁波無干擾的陶瓷材料，保證電磁波正常傳輸。

圖3 無線通信布置方案

如圖3 所示，礦水經常會漫延至中板部位，在回程刮板中留有信號溢出口，電磁波信號從該口發出，被數據接收裝置接收。電磁波在經過水傳播的過程中會發生衰減、反射、折射等現象，當電磁波垂直透射時，信號損耗最小。

由以上分析可知，電磁波在通過介質傳播時，不可避免的出現衰減，衰減的電磁波影響通信可靠性。選擇合適的通信距離對于提高張力檢測的精度十分必要。

3.2 無線通信距離模型設計

設置無線通信模型，并將圖3 中無線通信方案導入仿真軟件HFSS 計算。為了提高計算的效率，節省計算時間，簡化仿真模型。忽略下板中鋼材對電磁波的影響，簡化為圖4 仿真模型。

圖4 無線通信仿真模型

如圖4 所示，設置簡單的無線通信模型，包括三個重要部分，即發射、接收天線、信號溢出口。接收天線、發射天線分別位于中板的空腔和刮板位置，設有保護罩，保護罩溢出口介質為陶瓷，空腔內介質為空氣。礦井水在2 個保護罩之間，系統導電率大小設為4m/s，介電常數為81，發射天線功率為4.5dB?m。設d為兩水平溢出口之間距離，h 為垂直距離。

通過仿真求出不同h 下的d 與Pacc 曲線關系，如圖5 所示。

圖5 不同h 下的d 與Pacc 曲線關系

由圖5 可知，在水平距離變化時，接收功率先增大后減小，當水平距離h 滿足1mm≤h≤6mm，垂直距離d 滿足-25mm≤d≤25mm，接收功率Pacc＞-97dB·m，天線能夠接收到無線信號，可保證檢測數據傳輸。

4 實例分析應用驗證

4.1 在趙莊礦進行相應工況檢測

為了驗證試驗結果以及張力檢測系統實用性能，開展礦井實際驗證。驗證礦山刮板輸送鏈條張力檢測裝置如圖6 所示。

由圖6 可知，保護罩固定在鋼結構上，在鋼結構與保護罩之間添加防水裝置，防止礦井水造成數據傳輸干擾。

圖6（a）所示的張力采集裝置，內部裝有發射天線和霍爾傳感器，圖6（a）中數據接收裝置接收天線貼近溢出口，永磁體安裝在空腔中。2 個鋼結構中放入氯化鈉溶液，設有引出導線，對于張力數據的接收極為方便。現場驗證時，對通孔處采取防水措施，避免影響信號接收與傳輸，刮板機輸送鏈張力被采集傳輸給上位機。

4.2 檢測結果分析

刮板輸送機張力檢測系統中，可以根據上位機接收到的數據判斷張力情況，分析實施檢測的結果，驗證該系統在進行鏈條張力檢測時是否可靠。

驗證現場軟件設施和硬件設施安裝完成后，將2個鋼結構放入氯化鈉水溶液，對2 個信號溢出口的位置進行階段性調整，以觀察檢測系統對張力的檢測情況。當垂直距離從-200mm 增加到200mm 時，水平距離范圍在1 mm＜h＜5 mm，上位機可以正常接收刮板輸送機鏈條張力。

為了考察張力檢測系統工作時的功率大小，使用示波器對系統的運行功率進行測試，當刮板輸送機張力檢測系統正常工作時，測得電流大小為20 mA，當系統進入休眠機制，電流遠遠小于正常工作狀態下的電流值，實際測得電流大小僅為0.48 mA。由此可知，帶有休眠機制的刮板輸送機張力檢測系統可以節約大量的能源消耗，把功率降低到工作狀態下的1/40，極大提高了張力檢測系統的使用壽命。

5 結 論

針對當前礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統檢測精度差、系統易損壞、功耗過大等問題，設計礦山輸送機鏈條張力檢測系統。該系統能夠避免復雜礦井環境對檢測結果的影響，提高檢測精度。張力采集裝置獲得刮板上的張力信息，通過無線電磁信號傳輸，發送給安裝在中板上的數據接收裝置，最后傳至LCD 顯示器或上位機，實現刮板鏈條張力的動態檢測。本文對張力檢測系統開展仿真研究，仿真顯示天線能夠接收到無線信號，可保證檢測數據傳輸。最后進行礦井實驗，結果表明，該系統可以實現數據有效傳輸，節約功率消耗，避免了惡劣環境張力檢測失效，檢測效果良好。