基于光纖傳感技術(shù)的掘采裝備應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

張禮才

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

掘采裝備是煤礦智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)的龍頭設(shè)備，由于截割煤層的多變性和底板的復(fù)雜性， 掘采裝備載荷波動(dòng)較大，易引起整機(jī)振動(dòng)劇烈，影響其工作可靠性和使用壽命[1]。基于電阻應(yīng)變片的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法受到安裝方式、環(huán)境要求以及防爆要求限制，不適合掘采裝備動(dòng)態(tài)載荷全面檢測(cè)，光纖傳感技術(shù)本征絕緣、抗電磁干擾、傳感器體積小巧，安裝方便，為此應(yīng)用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)掘采裝備典型承載部件動(dòng)態(tài)載荷， 對(duì)于提升掘采裝備可靠性，加速推進(jìn)煤機(jī)裝備智能化建設(shè)具有重要意義[2]。

1 光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試原理

脈沖光以一定的頻率自光纖的一端入射， 入射的脈沖光與光纖中的聲學(xué)聲子發(fā)生相互作用后產(chǎn)生布里淵散射[3]。

最直接引起光柵布拉格中心波長(zhǎng)變化的方式是拉伸或擠壓。 光柵受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而造成光柵周期和有效折射率發(fā)生改變[4]。

式中：Pe—有效彈光系數(shù)；Κε—FBG 相對(duì)中心波長(zhǎng)變化的應(yīng)變靈敏度系數(shù)；εΒ—光纖光柵的軸向應(yīng)變。

2 掘采裝備應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)難點(diǎn)及解決措施

2.1 掘采裝備應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試難點(diǎn)分析

掘采裝備體積龐大、環(huán)境復(fù)雜惡劣，服役過(guò)程中受到的載荷波動(dòng)較大，全面精確的檢測(cè)掘采裝備應(yīng)力應(yīng)變，是優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備工作可靠性的基礎(chǔ)，目前應(yīng)變測(cè)試技術(shù)有電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)及光纖應(yīng)變測(cè)試技術(shù)兩種， 不同的測(cè)試技術(shù)有其特有的性質(zhì)， 其工作原理和應(yīng)用范圍不同， 電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)不適合在井下高瓦斯環(huán)境下測(cè)試掘采裝備動(dòng)態(tài)載荷，具體表現(xiàn)為：

（1）煤礦井下高瓦斯環(huán)境，電氣設(shè)備需要滿足防爆要求，因而電傳感器不適合測(cè)試掘采裝備工作載荷。

（2）應(yīng)變片及應(yīng)變橋路對(duì)環(huán)境要求高，井下潮濕、粉塵、振動(dòng)的工作環(huán)境對(duì)應(yīng)變測(cè)試精度造成影響。

（3）應(yīng)變片黏貼、焊接需要足夠的空間，掘采裝備內(nèi)部空間狹窄，難以布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

2.2 解決措施

基于光纖傳感的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試技術(shù)在以下方面優(yōu)勢(shì)明顯，比如光纖傳感本征無(wú)源，能夠適應(yīng)高瓦斯環(huán)境，光纖傳感器體積小巧、安裝方便，能夠布置在空間狹窄的掘采裝備內(nèi)部測(cè)試動(dòng)態(tài)載荷，光纖鎧裝技術(shù)，顯著提升了光纖傳感的環(huán)境適應(yīng)性，能夠適應(yīng)復(fù)雜、惡劣的井下環(huán)境。因此， 采用光纖應(yīng)變傳感技術(shù)可以解決掘采裝備動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)測(cè)難題。

3 光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建

光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)包括光纖應(yīng)力應(yīng)變傳感器、信號(hào)線、光纖信號(hào)解調(diào)分析儀、數(shù)據(jù)線、工控機(jī)[5]。 光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)模型見圖1。

圖1 光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)模型

光纖應(yīng)變傳感器布置在掘采裝備機(jī)架、穩(wěn)定靴、截割臂等典型承載部件上，掘采裝備工作過(guò)程中，部件受到動(dòng)態(tài)變化的載荷作用，發(fā)生微觀形變，光纖應(yīng)變傳感器黏貼于承載部件表面，或者內(nèi)嵌于承載部件內(nèi)部，拾取測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變信息。

光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變的變化呈良好的線性關(guān)系， 通過(guò)測(cè)量光纖中的背向布里淵散射光的頻率漂移量得到光纖沿線應(yīng)變的分布信息。光纖解調(diào)分析儀通過(guò)解算，得到測(cè)點(diǎn)應(yīng)變信息[6]。

操作上位機(jī)軟件完成測(cè)點(diǎn)應(yīng)變信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示和分析。

4 掘采裝備應(yīng)變測(cè)試

4.1 測(cè)試對(duì)象選取

穩(wěn)定靴布置在掘采裝備機(jī)身后部， 起到穩(wěn)定機(jī)身的作用，截割作業(yè)開始前，穩(wěn)定油缸伸出，穩(wěn)定靴撐地，截割過(guò)程中的載荷通過(guò)履帶架、穩(wěn)定靴傳遞至巷道底板。載荷傳遞路線見圖2。

圖2 掘采裝備載荷傳遞路徑

穩(wěn)定靴同時(shí)起到輔助設(shè)備調(diào)試、檢修的作用。截割油缸收縮，截割部下降撐地，穩(wěn)定油缸伸出，穩(wěn)定靴撐地，將設(shè)備抬起，履帶架離地，完成設(shè)備調(diào)試、檢修。 為此，穩(wěn)定靴為掘采裝備典型承載部件， 選取穩(wěn)定靴作為掘采裝備應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試對(duì)象。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

將光纖應(yīng)變傳感器布置在穩(wěn)定靴安裝座上， 拾取穩(wěn)定靴安裝座軸向壓縮應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 穩(wěn)定靴應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

4.3 應(yīng)變測(cè)試

設(shè)置采樣頻率為2kHz， 觸發(fā)方式選擇手動(dòng)觸發(fā)，啟動(dòng)泵站電機(jī)，穩(wěn)定油缸伸出，穩(wěn)定靴撐地，穩(wěn)定油缸繼續(xù)伸出，穩(wěn)定靴將機(jī)身后部撐起，機(jī)身后部離開地面后，通過(guò)平衡閥組，鎖緊后穩(wěn)定油缸，保持。

穩(wěn)定靴安裝座測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間變化情況見圖4。

圖4 穩(wěn)定靴安裝座應(yīng)變曲線

分析穩(wěn)定靴安裝座應(yīng)變曲線得知，穩(wěn)定靴油缸伸出，穩(wěn)定靴撐地過(guò)程中，安裝座受壓，產(chǎn)生壓應(yīng)變，穩(wěn)定靴伸出的前10s，與枕木作用，由于枕木和液壓油的彈性變形以及運(yùn)動(dòng)副間隙的影響，載荷相對(duì)較小，壓縮變形未超過(guò)100με，當(dāng)彈性變形結(jié)束后，穩(wěn)定靴安裝座受到的載荷迅速增加，15s 時(shí)達(dá)到最大值700με， 此時(shí)機(jī)身后部離開地面，此后，穩(wěn)定靴油缸鎖死，穩(wěn)定靴不在動(dòng)作，安裝座的變形緩慢下降，70s 后穩(wěn)定在600με 附近。

通過(guò)Hooke 定律，計(jì)算得到穩(wěn)定靴安裝座測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化情況見圖5。

圖5 穩(wěn)定靴安裝座應(yīng)力曲線

分析穩(wěn)定靴安裝座應(yīng)力隨時(shí)間變化得知， 穩(wěn)定靴撐地工況，安裝座受到的最大應(yīng)力為140MPa，低于材料屈服極限235MPa，穩(wěn)定靴安裝座強(qiáng)度符合要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以煤礦智能快速掘進(jìn)系統(tǒng)的龍頭設(shè)備—掘采裝備為研究對(duì)象， 分析了掘采裝備應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)難點(diǎn)及解決措施，以典型承載部件為測(cè)試對(duì)象，構(gòu)建了掘采裝備光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了穩(wěn)定靴撐地工況下，安裝座應(yīng)力應(yīng)變。 得出結(jié)論如下：

光纖應(yīng)變傳感技術(shù)本征無(wú)源，抗干擾能力強(qiáng)，傳感器體積小巧、安裝方便，不需要復(fù)雜的焊接、構(gòu)建橋路操作，與電阻應(yīng)變片相比，更加適合惡劣的煤礦井下環(huán)境。

基于光纖傳感技術(shù)的掘采裝備應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明， 光纖應(yīng)變傳感技術(shù)能夠采集掘采裝備典型承載部件的動(dòng)態(tài)載荷，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供測(cè)試技術(shù)支持。

穩(wěn)定靴撐地工況下， 安裝座最大應(yīng)力低于材料的屈服極限，強(qiáng)度符合要求。