張　強(qiáng)，石抗抗，王海艦，李立瑩，孟慶海

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新123000；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023；3.四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢643000 4.中國石油遼陽石油化纖公司機(jī)械廠，遼寧遼陽111003）

一種自供電銷軸受力檢測系統(tǒng)研究*

張強(qiáng)1，2，3*，石抗抗1，王海艦1，李立瑩1，孟慶海4

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧阜新123000；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023；3.四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢643000 4.中國石油遼陽石油化纖公司機(jī)械廠，遼寧遼陽111003）

為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在作業(yè)中搖臂與連接架之間的連接銷軸的受力實(shí)時檢測，提出了一種基于壓電振動俘能自供電銷軸受力檢測系統(tǒng)，不僅為銷軸過載保護(hù)提供了重要依據(jù)，而且有效解決了經(jīng)常更換電源的問題。將采煤機(jī)工作過程中的振動能量有效的轉(zhuǎn)換為電能，為傳感器和無線采集模塊提供穩(wěn)定充足的電能。通過多個現(xiàn)場測試表明，檢測系統(tǒng)的自供電性能穩(wěn)定，截取采煤機(jī)900s內(nèi)工作時間進(jìn)行分析，得到銷軸X、Y、Z方向上最大載荷分別為16.261 73 kN、51.321 43 kN、303.939 31 kN，測試結(jié)果與實(shí)際工況相接近，驗(yàn)證了基于壓電振動俘能裝置的自供電銷軸受力檢測系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程檢測的可行性和精確性。

傳感器應(yīng)用；受力檢測；采煤機(jī)；振動；自供電；載荷

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.024

滾筒式采煤機(jī)中搖臂與連接架間通過銷軸相連接。采煤機(jī)在工作過程中工況比較復(fù)雜，銷軸是工作裝置中的關(guān)鍵部件，其相對轉(zhuǎn)動和傳遞載荷較大［1］，容易發(fā)生過度磨損，甚至失效。嚴(yán)重時還會造成采煤機(jī)“自鎖”，從而影響整機(jī)性能及工作效率乃至安全性。因此，對銷軸受力進(jìn)行實(shí)時檢測顯得尤為重要，對銷軸過載保護(hù)具有重要意義。

目前，針對銷軸受力問題，國內(nèi)許多專家做了重要研究。郭承志，李建濤［2］通過在銷軸上開槽安置應(yīng)變片，設(shè)計了一種銷軸受力傳感器，并利用Optimus優(yōu)化平臺確定了傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。朱家洲［3］等人通過Pro/E建模，對銷軸進(jìn)行瞬時的靜力和有限元分析的方法。車健壯［4］等人通過應(yīng)用ANSYS的基本分析方法對銷軸進(jìn)行應(yīng)力與變形分析，然后利用經(jīng)典Hertz接觸理論分析，研究分析結(jié)果。另外，孔銀響［5］等人利用力學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)等知識分析了銷軸受力的情況。

但是以上專家的研究比較偏理論分析且精度不高、操作繁瑣，并不能實(shí)現(xiàn)對銷軸受力的實(shí)時檢測，而且在采煤機(jī)機(jī)身上安置電源非常困難。針對這一問題提出了一種基于壓電振動的自供電銷軸受力檢測系統(tǒng)［6］，利用微應(yīng)變檢測原理實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)工作中銷軸受力變化檢測，該檢測系統(tǒng)主要有信號采集裝置和壓電俘能裝置組成。壓電俘能裝置利用搖臂在工作過程中的振動特性，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為微應(yīng)變傳感器提供充足穩(wěn)定的電能，從而保證檢測系統(tǒng)的正常運(yùn)行。不但得到了銷軸受力的實(shí)時數(shù)據(jù)，而且解決了經(jīng)常更換電源的難題，避免了因經(jīng)常拆卸電源對機(jī)身的損壞。

1　檢測系統(tǒng)模型和原理

1.1銷軸受力檢測結(jié)構(gòu)和原理

搖臂與連接架之間的銷軸通過上下耳板將兩部分連接在一起，其銷軸在工作過程中主要受兩個方向的載荷，即徑向載荷和軸向載荷［7］，如圖1所示。軸向載荷即Fx，而徑向載荷包括Y和Z兩個方向的載荷。

圖1　銷軸受力示意圖

直接對銷軸受力測試比較困難，本文通過在搖臂與連接架鉸接處安裝特制銷軸傳感器的方法來測試銷軸徑向載荷；在銷軸壓蓋側(cè)的螺栓墊片處加裝壓力傳感器測試銷軸軸向載荷（X向載荷）。本文采用2個橋路輸出型的銷軸傳感器，同時能測出Y、Z方向的載荷。其傳感器外形尺寸、安裝尺寸與原有尺寸一致，且強(qiáng)度滿足需求［8］。將銷軸傳感器和壓力環(huán)傳感器通過導(dǎo)線與無線應(yīng)變采集模塊相連接，采集模塊型號為DH5905Z-4，如圖2所示。

圖2　信號采集裝置圖

采煤機(jī)在作業(yè)過程中，工況比較復(fù)雜，搖臂所受載荷沖擊較劇烈，銷軸容易發(fā)生故障，所以筆者提出了一種基于壓電振動的自供電銷軸受力檢測系統(tǒng)。在保證搖臂原有強(qiáng)度和剛度不變的前提下，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造并安裝了測試系統(tǒng)，如圖3所示，在搖臂一側(cè)開空腔安置壓電俘能裝置和無線采集模塊，并通過電纜將它們和傳感器相連接。空腔都用蓋板封閉，蓋板留有引線槽，保證防水、無線通訊、數(shù)據(jù)讀取。

圖3　檢測系統(tǒng)安裝示意圖

搖臂在工作過程中受載荷沖擊會產(chǎn)生劇烈振動，此時，檢測系統(tǒng)的壓電俘能裝置有效的將振動能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能［9］，為無線采集模塊和傳感器提供充足穩(wěn)定的電能，無線應(yīng)變采集模塊開始存儲數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸?shù)姆绞?，將?shù)據(jù)傳輸至無線網(wǎng)關(guān)，并統(tǒng)一在采集終端接收信號，最終將信號發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而得出銷軸X、Y、Z 3個方向上的所受載荷情況，檢測原理圖如圖4所示。

圖4　檢測系統(tǒng)原理圖

1.2壓電俘能裝置

搖臂在作業(yè)工程中會產(chǎn)生劇烈振動，采用傳統(tǒng)的電源為檢測系統(tǒng)供電比較困難，且拆換比較繁瑣，容易影響檢測效率和準(zhǔn)確性，甚至對整機(jī)產(chǎn)生一定程度的損壞。因此，筆者提出了一種基于壓電振動俘能裝置［10］自供電的檢測方法，該裝置能有效的將搖臂工作過程中的振動能量轉(zhuǎn)換為電能，為檢測系統(tǒng)不間斷的提供穩(wěn)定電能，不但節(jié)約了成本，同時提高了檢測的效率和準(zhǔn)確性。

俘能裝置如圖5所示，該裝置主要由質(zhì)量塊m、承載彈簧、限位彈簧、連接塊、連接環(huán)、殼體和壓電振子組成。其中，一個壓電振子包括壓電應(yīng)變片、金屬基板及其連接環(huán)。承載彈簧起到保護(hù)作用，防止在正常情況下壓電振子因受質(zhì)量塊重力作用而被損壞，同時避免壓電振子承受過大載荷。限位彈簧為了防止壓電振子變形量過大而受損。右側(cè)彈簧是起緩沖作用，并且能夠減少質(zhì)量塊重力作用的影響。

圖5　壓電俘能裝置

為了提高裝置的發(fā)電能力，采用了多個壓電振子串聯(lián)的方式，并且同時采集X、Y兩個方向上的振動能量。壓電俘能裝置的各參數(shù)如表1所示。

表1　壓電振動俘能裝置參數(shù)

1.3壓電俘能裝置供電原理

壓電俘能裝置的供電原理［11］如圖6所示，在傳統(tǒng)能量采集系統(tǒng)中，壓電振子（虛線部分）產(chǎn)生的電壓Vp和電流Ip比較不穩(wěn)定，波動較大，為了實(shí)現(xiàn)Vp和Ip有易于調(diào)節(jié)，系統(tǒng)采用了DC-DC電路，且由于Vp一般大于電子元件所需的電壓，所以選擇降壓式DC-DC能量采集電路。電感L和濾波電容Cf主要作用是讓電流和電壓的直流分量可以通過，而抑制諧波分量通過。

圖6　供電原理圖

當(dāng)采煤機(jī)工作時，由于受煤壁載荷的沖擊等外部條件的影響，搖臂會產(chǎn)生劇烈振動，此時，搖臂內(nèi)的俘能裝置的質(zhì)量塊m受到振動影響，施力于壓電振子，壓電振子因變形而產(chǎn)生電能，電能經(jīng)過整流橋儲存在電容C上［12］，當(dāng)電壓Vp大于濾波電壓Vc時，開關(guān)管T導(dǎo)通，為負(fù)載R提供電能同時給L和Cf進(jìn)行充電；當(dāng)Vp小于濾波電壓Vc時，開關(guān)管T截止，由于電感L中得電流不能突變，L、D和Cf構(gòu)成回路，Cf兩端的直流電壓繼續(xù)為負(fù)載R供電［13］，如此循環(huán)的為負(fù)載進(jìn)行供電。

2　測試應(yīng)變片的標(biāo)定

為了保證檢測系統(tǒng)的精確度，在檢測之前需要對傳感器內(nèi)置的應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定，因此，采用直接加載方法對應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定。為了提高結(jié)果的精確度和安全性，必須保證與現(xiàn)場實(shí)際工況環(huán)境一致，且采用逐級加載的方法進(jìn)行標(biāo)定。每次加載值不宜過高，取100 kN為宜，進(jìn)行6次加載，同一加載值在同一條件下進(jìn)行5次加載，然后取平均值。最終得到壓力環(huán)傳感器（X方向）和銷軸傳感器（Y和Z方向）上的標(biāo)定數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2　傳感器標(biāo)定值

根據(jù)表2中的標(biāo)定數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件進(jìn)行線性擬合，得到擬合公式如下：

式中：Fx、Fy、Fz分別為傳感器X、Y、Z方向上的加載值，單位為kN，mx、my、mz分別為X、Y、Z方向上應(yīng)變值單位為με。

3　現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證檢測系統(tǒng)的精確度和可靠性，以張家口“國家能源采掘裝備研發(fā)實(shí)驗(yàn)”中心為平臺，采用現(xiàn)場實(shí)測分析方法對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，現(xiàn)場實(shí)際測試過程如圖7所示。

圖7　國家能源部采掘裝備研發(fā)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

在搖臂上有封閉性空腔，內(nèi)置壓電俘能裝置，外部通過線纜與固定的無線采集模塊連接在一起，如圖8所示。

圖8　現(xiàn)場安裝與測試

經(jīng)過多次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試，在采煤機(jī)工作過程中，壓電俘能裝置能夠輸出10～13.4 V穩(wěn)定電壓，其輸出功率能夠達(dá)到205～224.6 mW，俘能裝置能夠?yàn)闄z測系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電能；并且得到了0～900 s內(nèi)搖臂與連接架之間連接銷軸X、Y、Z方向上的應(yīng)變值曲線，如圖9所示。

圖9　時間與微應(yīng)變關(guān)系曲線

橫軸代表采煤機(jī)運(yùn)行時間，單位s，豎軸代表微應(yīng)變值，單位με。結(jié)合圖9和式（1）得出，在采煤機(jī)空載運(yùn)行（0～170 s）時，銷軸X、Y、Z方向的載荷大約分別為15.791 0 kN、44.973 4 kN、271.909 9 kN。Z方向載荷最大，X方向最小，并且X方向載荷波動最小。此時采煤機(jī)沒有進(jìn)行截割，采煤機(jī)外部沒有受到載荷沖擊，但是由于采煤機(jī)自身重力和摩擦阻力的作用，使得銷軸受到耳板的擠壓而產(chǎn)生變形，銷軸X方向上載荷大小和變化最小，Z方向上變形量較大，平均載荷值最大。

在采煤機(jī)截割初期（170 s～260 s），隨著采煤機(jī)逐漸切入煤壁，截割部受到的載荷突然加劇，此時（大約在180 s）沖擊載荷經(jīng)搖臂內(nèi)的傳動結(jié)構(gòu)傳遞到耳板上產(chǎn)生劇烈的非線性變化，銷軸三向載荷均發(fā)生劇烈變化。X方向載荷變化最大，且平均載荷急劇增長，達(dá)到最大；Y方向上受到截割阻力和落煤等影響，牽引阻力逐漸變大，銷軸受到擠壓逐漸增大，使得載荷的平均值較之前也是逐漸增長；Z方向上平均載荷基本沒有變化，但是載荷波動較大。在大約270 s時，Y、Z方向上載荷又發(fā)生了劇烈波動，可能是由于采煤機(jī)機(jī)身跳動產(chǎn)生的。

截割中期（260 s～800 s），采煤機(jī)作業(yè)較穩(wěn)定，3個方向上平均載荷波動較小，Z方向上載荷略有降低，可能由于自身重力作用的影響。800 s～900 s，采煤機(jī)停止工作，空載運(yùn)行。

通過上述分析可知，在采煤機(jī)整個采煤過程中銷軸Z、Y方向上的載荷不等，說明銷軸受到耳板的擠壓力在徑向?yàn)榉蔷鶆蚍植?，Z方向上載荷較大。采煤機(jī)在切入煤壁瞬間，銷軸的各向載荷變化最大，出現(xiàn)了劇烈波動，此時銷軸所受彎矩和扭矩較大，如不及時調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速和行走速度容易造成銷軸損壞甚至是斷裂失效。

由圖9的曲線得到測試數(shù)據(jù)的一些特征值，如表3所示。

表3　測試數(shù)據(jù)特征值

從表3看出，X軸上的方差最小，Z軸最大，說明在整個采煤過程中Z軸的應(yīng)變值波動最大，X軸波動最小，這與圖9中曲線是一致的，同時結(jié)合表中的有效值和峰值可以看得出Z軸方向最危險，容易發(fā)生斷裂。根據(jù)表中特征值，結(jié)合擬合式（1）可以得出 X、Y、Z 3個方向的最大載荷分別為16.261 73 kN、51.321 43 kN、303.939 31 kN，為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性，進(jìn)行了多個周期試驗(yàn)測試，得到了三個方向最大載荷變化圖，如圖10所示。

圖10　最大載荷變化圖

橫軸代表試驗(yàn)次數(shù)，豎軸代表最大載荷，單位為kN。從圖10中可以看出，3個方向上的最大載荷波動較小，變化趨勢較平穩(wěn)，證明了測試數(shù)據(jù)具有較高的可靠性。而且很明顯Z方向上的最大載荷遠(yuǎn)大于Y、Z方向上的最大載荷，說明采煤機(jī)在工作過程中銷軸Z方向上的變形量比較大，比較危險，為分析銷軸過載保護(hù)提供了重要依據(jù)。

4　結(jié)論

針對采煤機(jī)在作業(yè)中搖臂與連接架之間的銷軸受力檢測問題，提出了一種基于壓電振動俘能的自供電銷軸受力檢測系統(tǒng)，對系統(tǒng)的檢測原理和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：（1）通過改造采煤機(jī)搖臂安裝特制的傳感器進(jìn)行銷軸受力檢測，不但解決了采煤機(jī)機(jī)身檢測裝置不易安裝的問題，而且克服了經(jīng)常拆換電源的難題。測試前對傳感器應(yīng)變片進(jìn)行了數(shù)據(jù)標(biāo)定，保證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性；（2）通過現(xiàn)場測試證明了壓電俘能裝置能夠?yàn)闄z測系統(tǒng)提供穩(wěn)定充足的電能，檢測系統(tǒng)可靠性較高，能夠?qū)崟r反映出銷軸X、Y、Z方向上所受載荷變化；（3）經(jīng)過多個周期測試得到銷軸X、Y、Z方向上應(yīng)變特征值和最大載荷，最大載荷分別為16.261 73 kN、51.321 43 kN、303.939 31 kN，數(shù)據(jù)較可靠，測試結(jié)果與實(shí)際工況相接近，不但為銷軸受力分析和優(yōu)化設(shè)計提供了重要依據(jù)，同時對銷軸的過載保護(hù)和強(qiáng)度分析具有重大意義。

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張強(qiáng)（1980-），男，教授，博士，博士后，博士生導(dǎo)師，遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈V山機(jī)械動態(tài)設(shè)計及監(jiān)測技術(shù)，lgdjx042@126.com；

石抗抗（1990-），男，遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向機(jī)械設(shè)計及理論，1522488978@qq.com。

One Kind of Research on A Self-Powered Pin Force Detection System*

ZHANG Qiang1，2，3*，SHI Kangkang1，WANG Haijian1，LI liying1，MENG Qinghai4
（1.College of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China；2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116023，China；3.Sichuan University of Science&Engineering，Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Zigong Sichuan 643000，China；4.China Petroleum Liaoyang Petroleum Chemical Fibre Company Machine Factory，Liaoyang Liaoning 111003，China）

In order to achieve real-time online for the force detection of the pin shaft between the rocker arm and the connecting frame in the operation of the coal mining machine，a kind of self-powered pin force detection system based on piezoelectric vibration energy harvested are proposed，which not only provides an important basis for the overload protection of the pin，and effectively solves the problem of the frequent replacement of the power supply.The vibration energy produced by the coal mining machine in the working process will be converted into electrical energy effectively，which ensures the long-term effectiveness working of the sensor and wireless strain collection module.Through multiple tests at the scene，the experiments show that，the self-powered performance of testing system is stable.Intercepting 900 s for the analysis of the coal mining machine during the working time，and the maximum load of X，Y and Z are respectively 16.261 73 kN、51.321 43 kN、303.939 31 kN.The test results are close to the actual working condition，indicating that a kind of self-powered pin force detection system based on piezoelectric vibration energy harvested is feasible and accurate in the application of practical engineering testing.

sensor applications；the force detection；the coal mining machine；vibration；self-powered；load

TH122

A

1004-1699（2016）10-1613-06

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（51504121）；教育部博士點(diǎn)基金項目（20132121120011）；裝備結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項目（GZ1402）；材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項目（2014CL18）；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計劃項目（LJQ2014036）；遼寧“百千萬人才工程”培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)項目（2014921070）；中煤集團(tuán)重點(diǎn)科技項目（13-8）

2016-03-30修改日期：2016-06-08