陳 希，馬忠鑫，程新龍

(安陽職業(yè)技術學院汽車學院,河南 安陽 455000)

0 引言

刮板鏈作為刮板輸送機重要組成部件，其張力大小直接影響整機工作穩(wěn)定性[1]。刮板鏈的結構組成決定了其具有一定粘性及彈性。工作時，刮板所受摩擦阻力較大，重載長時間運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，刮板輸送機運行阻力增加，增大功耗[2]。因此，實時檢測刮板輸送機刮板鏈張緊力，對保證其安全穩(wěn)定運行及節(jié)能減耗具有重要作用。

針對刮板鏈張緊力問題，近年來眾多學者從控制調節(jié)及理論計算等方面進行了深入研究，但尚未實現(xiàn)刮板鏈張緊力的實時檢測[3]。對此，本文根據(jù)壓電振動浮能技術，設計了刮板輸送機自供電張力實時檢測系統(tǒng)。對刮板與圓環(huán)連接處進行改造，通過微應變檢測，完成工作過程中刮板鏈張緊力的實時檢測。采用刮板內置壓電浮能及無線信號發(fā)送裝置，實現(xiàn)了系統(tǒng)自供電及檢測信號發(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)模型及張緊力標定

1.1 檢測系統(tǒng)構成及工作原理

由于刮板輸送機工作環(huán)境惡劣，檢測系統(tǒng)設計與安裝時應綜合考慮各方面影響。本文在確保鏈環(huán)和刮板工作強度的前提下，將檢測系統(tǒng)安裝于兩者連接處。檢測系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)結構圖

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)外側進行銑削并粘貼應變片[4]。對設備進行保護處理，確保刮板和鏈環(huán)精準嚙合，以保證張力檢測精度。

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

圖2 刮板鏈張力實時檢測原理圖

1.2 系統(tǒng)張緊力標定

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

表1 鏈環(huán)傳感器標定值

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

式中：ch1為實際檢測張力微應變，με;F1為實際檢測張力值，kN。

刮板鏈張力標定二次擬合曲線如圖3所示。

圖3 刮板鏈張力標定二次擬合曲線

2 壓電振動浮能器

無線信號發(fā)送裝置及張力傳感器安裝于刮板和鏈環(huán)的連接處[8]。刮板輸送機運轉時，其隨刮板連續(xù)運動，因此無法通過線纜長期供電。張緊力檢測系統(tǒng)為實時檢測，若通過電池供電，則需定期停機拆卸刮板進行電池更換，不僅操作繁瑣復雜，而且反復拆卸過程中容易造成傳感器及無線信號發(fā)送裝置的損壞，降低檢測精度?；诖耍疚牟捎脡弘娬駝痈∧芷?，實現(xiàn)對傳感器及無線信號發(fā)送裝置的長期、穩(wěn)定供電。

2.1 壓電振動浮能結構及工作原理

張力檢測系統(tǒng)中的應變片及無線信號發(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，本文設計的壓電浮能系統(tǒng)采用多振子水平排列并聯(lián)結構。壓電浮能系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 壓電浮能系統(tǒng)結構圖

壓電振動浮能器主要組成部件為質量塊、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、基板及連接卡構成[9]。施力桿直徑遠小于壓電瓷片，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)下的載荷強度及確保非工作狀態(tài)下免受質量塊作用。一方面，壓電浮能器隨刮板移動倒置時，限位彈簧可支撐施力桿克服質量塊重力作用，避免刮板經(jīng)過鏈輪換向對壓電振子產(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]。壓電浮能器工作結構參數(shù)如表2所示。

表2 壓電浮能器工作結構參數(shù)表

刮板輸送機運轉時，刮板存在較激烈振動，帶動質量塊上下往復振動；通過施力桿進而對壓電振子產(chǎn)生拉壓力，壓電振子產(chǎn)生彈性變形，將機械能轉化為電能。

2.2 壓電性能分析

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

圖5 壓電振動浮能器電能收集電路

移動過程中，刮板處于不同位置時，振幅不同。刮板不同位置振動加速度微應變曲線如圖6所示。

圖6 刮板不同位置振動加速度微應變曲線

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動時振動較大[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變片及無線信號發(fā)送裝置供電，并將部分電能儲存于蓄電池，供電方式如圖7(a)所示。刮板經(jīng)過鏈輪時，刮板與鏈輪嚙合，受張緊力作用，振動較小，可忽略。此時，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

由試驗測試可知，當壓電振動浮能器頻率為92 Hz、振幅為66.8 mm時，工作狀態(tài)最佳。刮板移動時，不同位置負載功率-時間曲線如圖8所示。由圖8可知，系統(tǒng)負載總功率為0.346 W，在壓電振動浮能器供電與蓄電池供電切換時，負載功率過渡平穩(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，存在負載功率微降現(xiàn)象。但其對應變片及無線信號發(fā)送裝置并無影響，壓電振動浮能系統(tǒng)供電穩(wěn)定，具有較高的可靠性。

圖8 負載功率-時間曲線

3 試驗測試

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

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

圖9 刮板張力微應變實時監(jiān)測曲線

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

刮板輸送機張力應變各特征值如表3所示。

表3 刮板輸送機張力應變特征值

對刮板輸送機正常運轉下的一個循環(huán)周期(190～310 s)進行細化分析，得到一個循環(huán)周期應變曲線,如圖10所示。圖10中，標志點分別為一個循環(huán)周期內鏈輪嚙入、嚙出點及峰值張力微應變值。

圖10 一個循環(huán)周期應變曲線

由圖10可知，張應力曲線中:A點為208 s時傳感器位于機頭鏈輪嚙出點，張應力為113 kN；B點為機尾鏈輪嚙入點，張應力為125 kN。A、B兩點差值為刮板輸送機空載運行時下端鏈運行阻力，為12 kN。E、F、H點為傳感器過鏈輪時峰值點，分別為274.2 kN、236.6 kN、210.6 kN。

各點微應變值及由標定張力二次擬合公式獲得的標志點微應變與張力值如表4所示。

表4 標志點微應變與張力值

4 結束語

本文綜合分析刮板輸送機實際運行情況，基于壓電振動浮能原理，設計了刮板鏈自供電張力檢測系統(tǒng)。通過試驗對壓電浮能器供電特性及系統(tǒng)張力檢測精度進行分析，并得到如下結果。

張力實時檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了運動裝置信號的提取，簡化了數(shù)據(jù)采集過程。通過張力標定獲得張力應變片二次擬合曲線，確保了檢測結果的可靠性與精準性。

根據(jù)刮板運動過程中的振動特點，通過多振子水平并列式壓電振動浮能器為應變片和無線信號發(fā)送裝置提供電能，獲得系統(tǒng)負載實時功率，驗證壓電振動浮能系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性及可靠性。

通過試驗對張力檢測系統(tǒng)進行驗證。由試驗結果可知，檢測系統(tǒng)可實時反饋刮板鏈張力變化情況。分析張力檢測曲線可知，刮板輸送機運行周期為103 s，刮板處于下端鏈時所受阻力為12 kN，瞬時張力最大值為274.2 kN。該試驗結果與實際工作情況相吻合。該研究為刮板輸送機運行阻力及張緊力研究奠定了基礎。