周密林

（中國煤炭科工集團山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006）

引言

刮板輸送機是一種廣泛應(yīng)用在井下的物料輸送設(shè)備，其利用傳動系統(tǒng)帶動刮板鏈運行，因此刮板輸送機的鏈傳動系統(tǒng)直接關(guān)系到刮板輸送機工作的穩(wěn)定性和可靠性，在運行的過程中刮板鏈需要保持一定的張緊力，從而避免運行過程中的卡鏈或者脫鏈[1]。傳統(tǒng)的刮板輸送機自動監(jiān)控裝置在工作時由單獨的供電模塊進行電能供應(yīng)，需要定期對其更換，當電量衰弱大時極易導致對刮板鏈的張力監(jiān)測不準確，影響輸送機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此本文提出了一種基于壓電振動俘能的張力實時監(jiān)測裝置。通過采用微應(yīng)變檢測方案對刮板輸送機運行過程中的張力進行不間斷的監(jiān)測，同時在該監(jiān)測裝置內(nèi)設(shè)置有壓電振動俘能裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)將刮板鏈運動時的動能轉(zhuǎn)換為電能，滿足對監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)不間斷的供電要求，避免了反復拆裝和電能不足而導致的監(jiān)測偏差，極大提升了對刮板鏈運行張力監(jiān)測的準確性。

1 張力監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

為了確保刮板輸送機刮板鏈的張力監(jiān)測系統(tǒng)在惡劣工況下工作的可靠性，分析后確定將該監(jiān)測裝置設(shè)置在刮板輸送機系統(tǒng)的刮板和鏈環(huán)結(jié)合的位置，其安裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

由圖1 可知，在進行安裝時，分別將刮板的下側(cè)和上側(cè)進行開槽并設(shè)置布線孔，其上部的布線孔用于設(shè)置通信電纜和供電電路，下部的布線孔則用于設(shè)置壓電俘能裝置和信號傳輸裝置。

由于刮板輸送機系統(tǒng)在工作時需要承受頻繁的沖擊載荷作用，由此通過設(shè)置壓電俘能裝置實現(xiàn)將刮板鏈的振動能量轉(zhuǎn)換為電能，為監(jiān)測系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)提供能量供應(yīng)。系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)變片通過該信號傳輸系統(tǒng)將監(jiān)測到的刮板鏈內(nèi)變化不斷的張緊力傳輸給上位機的監(jiān)測中心，并實現(xiàn)對監(jiān)測信號的分析、處理和轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)對刮板鏈運行張力的穩(wěn)定監(jiān)測，其監(jiān)測原理如圖2 所示[3]。

圖1 張力監(jiān)測裝置的安裝結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 刮板鏈張力監(jiān)測原理示意圖

2 壓電俘能結(jié)構(gòu)及工作原理

由于刮板輸送機張力監(jiān)測系統(tǒng)的主要消耗電能的裝置為信號傳輸設(shè)備及應(yīng)變片，因此綜合考慮刮板和鏈環(huán)結(jié)合處的空間結(jié)構(gòu)，其采用了水平排列方式來建立該監(jiān)測系統(tǒng)的壓電俘能裝置，其整體布置結(jié)構(gòu)如下頁圖3 所示[4]。

由圖3 可知，該壓電俘能裝置主要包括質(zhì)量塊、限位彈簧、壓電瓷片、基板等，其施力桿設(shè)置在壓電瓷片的中心，施力點的直徑小于壓電瓷片的直徑，因此該施力點可視為載荷作用的中心。其支撐彈簧的作用是確保壓電振子在非工作狀態(tài)下所受的載荷強度，避免過載受到損壞。

圖3 壓電俘能裝置布置結(jié)構(gòu)示意圖

刮板輸送機在運行過程中刮板鏈的振動幅度變化曲線如圖4 所示。

圖4 刮板鏈運行過程中的振動曲線變化示意圖

由圖4 可知，刮板輸送機在運行的過程中由于上料、下料等沖擊作用，使刮板鏈產(chǎn)生振動，設(shè)置在刮板鏈上的壓電俘能裝置的質(zhì)量塊在振動的影響下對一系列的壓電振子產(chǎn)生擠壓作用，使其產(chǎn)生電能，然后各處的電能通過整流電路的整流作用進行集聚后對用電部分進行供電，刮板鏈運行過程中的振動越大，對壓電振子的影響越大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電能就越多。

3 張力監(jiān)測裝置的現(xiàn)場試驗

為了對該基于壓電振動俘能的刮板輸送機的自動張力監(jiān)測系統(tǒng)的工作可靠性進行驗證，本文搭建了刮板輸送機張力監(jiān)測試驗平臺，利用現(xiàn)場實際測量的方法對其工作可靠性進行驗證。該試驗平臺中采用了SGZ 系列刮板輸送機，其功率為1 710 kW，長度為70 m，空載運行時的速度為1.47 m/s，空載情況下運行一周所需要的時間約為102 s，在該實驗平臺中將壓電振動模塊和信號發(fā)射模塊分別設(shè)置在刮板兩側(cè)的密閉腔體內(nèi)，其中壓電振動模塊和信號發(fā)射模塊均為雙份結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一用一備，確保系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性，應(yīng)變片設(shè)置在鏈條和固定塊接觸的位置上，其檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局如圖5 所示。

由現(xiàn)場實際測試可知，在刮板輸送機運行的過程中壓電振動俘能器的工作穩(wěn)定、可靠，能確保電能的連續(xù)、穩(wěn)定供應(yīng)，壓力傳感器設(shè)備和信號發(fā)送設(shè)備的工作穩(wěn)定，測試得到的刮板輸送機鏈條張力的微應(yīng)變變化曲線如圖6 所示。

圖5 刮板輸送機張力監(jiān)測系統(tǒng)驗證平臺

圖6 刮板鏈條的張力變化曲線

由圖6 可知，圖中的第一個張力突變點位鏈輪和鏈環(huán)的嚙入點，第二個張力突變點位鏈輪和鏈環(huán)的嚙出點依次交替，其時間間隔約為52 s，其在第207 s 時后刮板鏈的鏈輪和鏈環(huán)在機頭下的嚙出點處，其微應(yīng)變約為2.0×103，所對應(yīng)的張力約為112 kN。刮板鏈和鏈輪的嚙入點的微應(yīng)變約為2.23×103，所對應(yīng)的張力為125 kN，其表明刮板輸送機在空載運行時下端鏈的阻力約為13 kN，通過利用該張力監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的張力變化結(jié)果與采用傳統(tǒng)的張力計監(jiān)測的結(jié)果基本一致，表明了該監(jiān)測裝置張力監(jiān)測的可靠性。

4 結(jié)論

1）通過對刮板輸送機張力系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)了對刮板輸送機輸送鏈張力的精確監(jiān)測，解決了信號監(jiān)測、傳輸不易的問題；

2）通過設(shè)置壓電振動俘能傳感器，設(shè)置在刮板鏈上的壓電俘能裝置的質(zhì)量塊在振動的影響下對一系列的壓電振子產(chǎn)生擠壓作用，使其產(chǎn)生電能，然后各處的電能通過整流電路的整流作用進行集聚后對用電部分進行供電；

3）實際試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對刮板鏈運行時的張力變化情況進行實時監(jiān)測，且能夠保證穩(wěn)定的電能供應(yīng)，具有可靠性高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。