刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測(cè)理論及方法研究

朱正中1，邢方方2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 校長(zhǎng)辦公室，江蘇 徐州 221116；2.江蘇中機(jī)礦山設(shè)備有限公司 采煤機(jī)所，江蘇 徐州 221116)

[摘要]為實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)鏈條狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測(cè)的理論及方法進(jìn)行了探討研究。建立了刮板輸送機(jī)預(yù)張緊力模型，確定了機(jī)頭部松邊鏈條的懸垂量在不同鏈條狀態(tài)下具有獨(dú)立區(qū)別的特征，為理想的鏈條狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；研究了機(jī)頭部松邊懸垂量和次小張力的關(guān)聯(lián)機(jī)理，為電感式接近位移傳感器的安裝提供理論基礎(chǔ)。實(shí)踐應(yīng)用表明：所述的鏈條張力狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法具有可實(shí)施性和高可靠性。

[關(guān)鍵詞]刮板輸送機(jī)；鏈條張力；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD528.3[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[收稿日期]2014-05-22

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.015

[作者簡(jiǎn)介]朱正中(1981-)，男，安徽太湖人，碩士，講師，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)辦公室科長(zhǎng)，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)電控制。

Chain Tension Monitoring Theory and Method of Scraper Conveyer

ZHU Zheng-zhong1, XING Fang-fang2

(1.Principal Office, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China;

2.Coal Cutter Department, Jiangsu Zhongji Mine Equipment Co., Ltd., Xuzhou 221116, China)

Abstract:In order to realize real-time monitoring chain state of scraper conveyer, the pre-tension model of scraper conveyer was set up and it was obtained that amount of suspension of slack side chain had distinct characteristic under different chain states and was ideal monitoring point.The related mechanism of slack side suspension amount and second-small tension was researched, which provided theory basis for installation of inductive displacement transducer.Practice showed that this chain tension monitoring method had enforceability and high reliability.

Keywords:scraper conveyer; chain tension; monitoring system

[引用格式]朱正中，邢方方.刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測(cè)理論及方法研究[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(1)：48-50，16.

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，主要承擔(dān)著運(yùn)煤的作用，同時(shí)，還作為采煤機(jī)的運(yùn)行軌道和液壓支架的推移支點(diǎn)，需要保證其高效可靠運(yùn)行[1-2]。實(shí)際運(yùn)行中，隨著刮板輸送機(jī)負(fù)載的變化，鏈條容易出現(xiàn)過(guò)松或者過(guò)緊[3-4]。當(dāng)鏈條過(guò)松時(shí)，鏈條與鏈輪的嚙合會(huì)被破壞；當(dāng)鏈條過(guò)緊時(shí)，運(yùn)行阻力則會(huì)加大，使得刮板輸送機(jī)的功率消耗加大，直接磨損相關(guān)元器件。因此，研究刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測(cè)的理論及方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1刮板輸送機(jī)鏈條預(yù)張緊力模型

研究刮板輸送機(jī)鏈條張力狀態(tài)，首先需要確定鏈條的預(yù)張緊力。根據(jù)胡克定律，刮板鏈在鏈條張力的作用下，鏈條的彈性變形為：

ΔL=FL/EA

(1)

式中，ΔL為鏈條的彈性伸長(zhǎng)量，m；F為刮板鏈所受的張力，N；L為刮板鏈的長(zhǎng)度，m；E為鏈條的彈性模量；A為鏈條的橫截面積，m2。

當(dāng)刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，鏈條上各點(diǎn)的張力是變化的，因此，鏈條的總彈性伸長(zhǎng)量采用積分形式求解，即：

(2)

基于逐點(diǎn)計(jì)算法，隨著刮板鏈的實(shí)際運(yùn)行方向，建立圖1所示的鏈條張力圖。

圖1　鏈條張力分布

圖1中，定義F1為機(jī)尾鏈輪與鏈條分離點(diǎn)的張力；F2為機(jī)頭鏈輪與鏈條接合點(diǎn)處的張力；F3為機(jī)頭鏈輪與鏈條分離點(diǎn)處的張力；F4為機(jī)尾鏈輪與鏈條接合點(diǎn)處的張力。

對(duì)于平直刮板輸送機(jī)，根據(jù)積分的定義，式(2)可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

(3)

實(shí)際工作中，刮板鏈?zhǔn)芰a(chǎn)生很大的彈性伸長(zhǎng)，會(huì)在驅(qū)動(dòng)鏈輪與鏈條的分離處松弛，甚至?xí)纬涉湕l堆積現(xiàn)象。為了防止上述現(xiàn)象的出現(xiàn)，在刮板鏈安裝時(shí)要給刮板鏈?zhǔn)┘右欢ǖ膹埦o力，使刮板鏈有預(yù)加的彈性伸長(zhǎng)，如果這個(gè)伸長(zhǎng)量和額定負(fù)載下鏈條的彈性伸長(zhǎng)是一樣的，額定負(fù)載下產(chǎn)生的彈性伸長(zhǎng)將會(huì)被抵消，這樣就可以避免鏈條的松弛。這個(gè)張緊力也就是預(yù)張緊力Fy。根據(jù)預(yù)張緊力的作用和定義，在預(yù)張緊力的作用下，刮板鏈的彈性伸長(zhǎng)量為：

(4)

聯(lián)立式(3)和式(4)兩式，可以得到：

(5)

根據(jù)圖1和鏈條張力的逐點(diǎn)計(jì)算法，得到如下的關(guān)系式：

(6)

式中，Wz為承載煤工作段的工作阻力(上溜槽)；Wq為空載工作段的工作阻力(下溜槽)；T為機(jī)頭部(或機(jī)尾部)電機(jī)施加的牽引力。

由式(6)得到電機(jī)施加的牽引力T與Wz和Wq的關(guān)系為：

(7)

聯(lián)立式(6)和式(7)得：

(8)

顯然，Wz≥Wq，由式(8)可知，F(xiàn)1點(diǎn)是額定負(fù)載下整個(gè)鏈條最小張力的所在點(diǎn)，即機(jī)尾處鏈條與鏈輪的分離點(diǎn)。

聯(lián)立式(5)和式(8)得：

(9)

在實(shí)際運(yùn)行工況中，Wz是個(gè)已知量，因此，預(yù)張緊力和鏈條的最小張力點(diǎn)存在一個(gè)正比的關(guān)系。當(dāng)最小張力點(diǎn)也就是機(jī)尾上方鏈條張力為零時(shí)，此時(shí)的刮板鏈能夠沿中板自由滑下，從而達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。由此，當(dāng)最小張力點(diǎn)為零，可以得到理論上的預(yù)張緊力為額定負(fù)載下承載煤工作段的一半，也就是在刮板機(jī)開(kāi)始工作前通過(guò)刮板機(jī)的液壓馬達(dá)緊鏈裝置進(jìn)行設(shè)置。

在機(jī)尾上方最小張力點(diǎn)處，當(dāng)鏈條過(guò)緊時(shí)鏈條會(huì)與輸送機(jī)機(jī)尾的壓尾壓鏈板接觸，相比最佳狀態(tài)，此處的鏈條有一個(gè)微小的位移，利用該微小位移量可以進(jìn)行過(guò)緊狀態(tài)下鏈條張力的自動(dòng)調(diào)節(jié)；然而，當(dāng)鏈條過(guò)松時(shí)，此處的鏈條和最佳狀態(tài)的表面現(xiàn)象是一樣的，無(wú)法被監(jiān)測(cè)出來(lái)?？紤]到機(jī)頭部松邊鏈條的懸垂量在過(guò)緊狀態(tài)、最佳狀態(tài)和過(guò)松狀態(tài)下具有獨(dú)立區(qū)別的特征，并且，該部位也是整個(gè)鏈條次小張力的所在處，因此，該部位可用于鏈條張力的檢測(cè)，需要在該部位建立懸垂量和次小張力點(diǎn)的數(shù)學(xué)關(guān)系。

2機(jī)頭部松邊懸垂量和次小張力的關(guān)聯(lián)機(jī)理

機(jī)頭部松邊處，可確定的已知條件有：鏈條與鏈輪分離點(diǎn)A和鏈條與下溜槽接觸點(diǎn)O之間的水平距離l；機(jī)頭部中板與下溜槽的夾角β；鏈條與鏈輪分離點(diǎn)處張力，即次小張力點(diǎn)F3；F3與水平線(xiàn)的夾角α。α的確立是采用如下方法：次小張力的方向沿著弧AO在A點(diǎn)處的切線(xiàn)方向，而該切線(xiàn)方向又和上機(jī)頭鏈輪(截面近似一個(gè)圓)的半徑垂直。所以確定該切線(xiàn)方向可以過(guò)鏈輪分離點(diǎn)做該點(diǎn)處鏈輪的切線(xiàn)，該切線(xiàn)與水平線(xiàn)的夾角即為α。以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。具體如圖2所示。

圖2　鏈條懸垂量和鏈條張力的關(guān)系

做直線(xiàn)OA的平行線(xiàn)MN，使OA與弧OA相切于Q點(diǎn)，設(shè)Q點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y)，取Q點(diǎn)的相鄰微元為P點(diǎn)(x+dx,y+dy)，定義P點(diǎn)的切線(xiàn)與x軸的夾角為β+dβ。在QP微元段的受力平衡，在x軸上鏈張力的水平分力相同，設(shè)鏈張力的水平分力為fh，則建立如下等式：

(10)

式中，q為單位長(zhǎng)度的鏈條重量，N/m；ds為微元段的弧長(zhǎng)，m。

根據(jù)泰勒公式可得：

tan(β+dβ)≈tanβ+d(tanβ)

(11)

又因?yàn)椋?/p>

(12)

tanβ=y′

(13)

聯(lián)立式(10)、(11)、(12)和(13)可得：

(14)

在初始條件x=0,y=0和x=0,y′=0下，利用matlab對(duì)式(14)求二重積分可得弧AO的方程如下：

(15)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，在垂度與圖2中的l值之比小于0.04的前提下，將懸垂線(xiàn)往拋物線(xiàn)轉(zhuǎn)化。雙曲余弦函數(shù)的泰勒展開(kāi)如式(16)所示。

(16)

聯(lián)立式(15)和式(16)可得弧AO的方程如下：

(17)

(18)

式中，機(jī)頭部松邊處鏈條的水平分力為：fh=F3·cosα。

為了便于傳感器安裝，取x=-l/2處為傳感器的安裝位置，此處的懸垂量與次小張力F3的關(guān)系為：

(19)

3鏈條張力監(jiān)測(cè)方法

某型刮板輸送機(jī)的相關(guān)參數(shù)為：鏈條長(zhǎng)度L=100m；輸送量Q=500t/h；鏈速γ=1.51m/s；機(jī)頭鏈輪分離點(diǎn)至下溜槽接觸點(diǎn)水平距離l=2.83m。

假設(shè)刮板輸送機(jī)的安裝角度為零，承載煤工作段的工作阻力Wz和空載工作段的工作阻力Wq為：

(20)

式中，q1為單位長(zhǎng)度的運(yùn)煤量，q1=Q/v=91.98kg/m；q2為單位長(zhǎng)度的鏈條質(zhì)量，q2=96.93kg/m；wL為刮板鏈在溜槽中移動(dòng)阻力系數(shù)，wL=0.2；w為煤在溜槽中的移動(dòng)阻力系數(shù)，w=0.6；g為重力加速度，g=9.8N/kg。

根據(jù)式(20)，得到重載運(yùn)行阻力Wz=73082.17N，空載運(yùn)行阻力Wq=18998.28N，當(dāng)最小張力為0時(shí)，由式(8)可知，次小張力為F3=(Wz-Wq)/2，即F3=27041.94N。機(jī)頭部的抬高角β=10°，鏈輪與鏈條分離點(diǎn)處切線(xiàn)與水平線(xiàn)夾角α=60°，單位長(zhǎng)度的鏈條重量q=q2g，由式(19)，則在x=-l/2處的鏈條懸垂量為Δy=0.179m，當(dāng)次小張力點(diǎn)的張力變化值為±100kN，即次小張力點(diǎn)的張力值變?yōu)镕3=17041.94～37041.94N，其鏈條懸垂量變?yōu)?.138～0.199m。因此，相比最佳狀態(tài)的懸垂量，當(dāng)鏈條過(guò)松或過(guò)緊時(shí)，懸垂量分別有0.041m和0.02m的變化。

采用電感式接近位移傳感器監(jiān)測(cè)鏈條懸垂量的變化，以對(duì)鏈條的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。電感式接近位移傳感器由檢波電路、放大電路、施密特觸發(fā)電路、LC高頻振蕩器及輸出部分等組成，振蕩電路的線(xiàn)圈產(chǎn)生高頻交流磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過(guò)傳感器的感應(yīng)面釋放出來(lái)。當(dāng)鏈條接近能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的感應(yīng)頭時(shí)，在鏈條的內(nèi)部將產(chǎn)生渦流，而這個(gè)渦流又反過(guò)來(lái)作用于傳感器，從而造成了傳感器的振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生了變化，當(dāng)觸發(fā)電路探測(cè)到這一衰減現(xiàn)象時(shí)，將這一現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)電信號(hào)，根據(jù)該電信號(hào)識(shí)別有無(wú)鏈條進(jìn)入探測(cè)區(qū)，從而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。

綜合上述考慮，選用西門(mén)子公司的3RG40 12-OAG 31型電感式接近位移傳感器，該型電感式接近位移傳感器以鍍鎳黃銅作為其外殼，額定工作電壓為DC 15～34V,其防護(hù)等級(jí)為IP 68,可以適應(yīng)煤礦井下惡劣環(huán)境的要求，能夠作為本安型接近開(kāi)關(guān)，該型接近開(kāi)關(guān)為三線(xiàn)制的，其內(nèi)部觸點(diǎn)為常開(kāi)觸點(diǎn)(NO)。其工作原理是:當(dāng)鏈條進(jìn)入其操作距離時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，此時(shí)，輸出端與負(fù)工作電壓(OV)之間連接的負(fù)載將直接接到正工作電壓，輸出端將實(shí)現(xiàn)一個(gè)電壓的跳變，這是接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用電路的關(guān)鍵。在該刮板輸送機(jī)上的安裝如圖3所示。

圖3　位移傳感器安裝示意

4結(jié)論

(1)建立了刮板輸送機(jī)預(yù)張緊力模型，確定了機(jī)頭部松邊鏈條的懸垂量在不同鏈條狀態(tài)下具有獨(dú)立區(qū)別的特征，特征位置處即為理想的鏈條狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(2)研究了機(jī)頭部松邊懸垂量和次小張力的關(guān)聯(lián)機(jī)理，為電感式接近位移傳感器的安裝提供了理論依據(jù)。

(3)所述鏈條張力狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)成功在某煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的重型刮板輸送機(jī)上使用，表明該方法具有可實(shí)施性和高可靠性。

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[責(zé)任編輯：徐亞軍]

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