梁衛(wèi)兵

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業(yè)股份有限公司， 山西 晉城 048100）

引言

在煤礦綜采工作面中，刮板輸送機屬于重要設備。刮板鏈是輸送過程中必不可少給的關鍵部件，它是刮板的動力來源，給刮板傳遞牽引力，從而對物料進行輸送。而刮板鏈依靠摩擦力才能運動，受到動靜摩擦力的影響，很有可能發(fā)生斷鏈、卡鏈以及跳鏈等的失效故障，且失效率偏高，對它進行維修費時費力，嚴重影響到刮板輸送機的工作效率[1-2]。因此，對刮板鏈的監(jiān)測在生產過程中非常重要。其中，刮板鏈的張力在刮板鏈運行過程占據重要位置，它能夠表征刮板鏈的運行狀態(tài)，因此，設計監(jiān)測系統并通過張力傳感器，對刮板鏈的張力進行實時監(jiān)測，這樣可以實時判斷刮板鏈的工作狀態(tài)，及時預防刮板鏈故障，提高刮板輸送機的運行效率，保障礦場的高效生產運行。

1 刮板輸送機刮板鏈的故障原因

刮板鏈是被機頭以及機尾的鏈輪進行牽引，做循環(huán)的回轉運動，固定在刮板鏈上的刮板就可以不斷將物料從機頭運送至機尾，見圖1[3]。在這個過程中，刮板上輸送物料的不同，就會導致刮板鏈受到的力也不同，就是說負載不斷變化，這就使得鏈條受到的張緊力會不斷發(fā)生變化，張緊力太大或者太小都會影響刮板鏈的正常工作，從而影響輸送過程[4]。如果鏈條的張緊力太小，鏈條就會松弛，不管是在機頭還是機尾，鏈條和鏈輪的接觸就會松弛，就使鏈條容易脫離鏈輪，造成鏈輪的沖擊振動，就有可能使鏈條發(fā)生斷鏈卡鏈的故障。如果鏈條的張緊力太大，又會造成摩擦力太大，不僅增大了設備的損耗，而且增加了運行的阻力，會消耗更多的能量，造成能量浪費。所以，有必要對張緊力進行實時監(jiān)控[5]。

圖1 刮板輸送機工作原理示意圖

2 張力監(jiān)測系統結構

張力監(jiān)測系統，總共分為三個部分，見圖2。

1）張力采集裝置。它通過電池進行供電，內置有穩(wěn)定壓力的芯片，能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的電壓。它采集刮板鏈的應力采用的是集成應變片，經過放大電路，將采集的刮板鏈應力輸出信號進行放大，利用射頻芯片CC2530 采集以及AD 轉換，發(fā)射到空中。

2）數據接收裝置。它可以通過天線，獲得空中的信號信息，然后利用射頻芯片CC2530，將所獲得的張力信號信息進行解調，然后上傳給上位機，或者是通過輸入/輸出接口控制LCD 顯示器，能夠實時地顯示獲得的張力信息。

圖2 張力監(jiān)測系統結構圖

3）接近開關。該部件利用霍爾傳感器受磁場的影響，其中，永磁體和數據接收裝置的位置接近，當張力采集裝置和霍爾傳感器模塊同時靠近永磁體時，由于磁場的影響，霍爾傳感器產生下降的電信號，這個信號就會使張力采集裝置進行張力采集的數據發(fā)送。在數據發(fā)送成功后，張力采集裝置進入休眠狀態(tài)，這樣可以節(jié)省能量損耗。

在這個監(jiān)測系統中，張力采集裝置被安裝在刮板下的壓板內部，刮板是高強度的合金材質；數據接收裝置被安裝在刮板輸送機具有類似合金材質的中板內部。這兩個的安裝位置都可以防止電磁波對信號的干擾。而應變片由于是監(jiān)測刮板鏈張力變化的，它就直接黏貼在了刮板鏈上。

3 張力監(jiān)測系統各部分電路及程序

3.1 張力采集裝置

在張力監(jiān)測系統中，以張力采集電路為基礎對傳感器及信號調控方面進行設計。

刮板輸送機的刮板鏈所受到的張力F 和它的應變ε 成正比，它們的比例系數和彈性模量E 以及刮板鏈的橫截面積S 有關[6]：在張力監(jiān)測系統中采用應變片對張力進行采集，它將刮板鏈的應變轉換成了電阻變化，而電橋電路就是將電阻變化轉變?yōu)殡妷鹤兓?，但是這個變化電壓的輸出信號雖然很精確，但是范圍很小，因此需要對輸出信號進行調孔，見圖3。

圖3 張力采集電路圖

張力采集電路包括三個模塊：應變片模塊、放大模塊以及濾波模塊。使用的集成應變片包含了4 個相互連接并且垂直的柵狀的金屬絲。實際上，因為刮板鏈受到的張力作用，只有拉伸方向會產生相應的應變，所以，采用的集成應變片中，只有其中的兩個是可以采集應力信號的，另外兩個是溫度補償。在應變片電路中，一端接電源，一端接CC2530 的輸入/輸出接口，另外兩個端口作為差分輸出。CC2530 的輸入/輸出接口可以控制輸出高電壓或者低電壓。當輸出高電壓時，接電源的端口和CC2530 的輸入/輸出接口的電壓是相同的，這時，應變片中沒有電流的處于關閉狀態(tài)；當輸出低電壓時，應變片中產生電流，這個時候應變片就開始工作。應變片的這個操作可以有效地節(jié)省張力采集裝置的能量消耗。

張力采集裝置程序不僅可以采集電壓數據，還可以控制應變片的供電，以及張力采集裝置的休眠等。流程圖如圖4 所示。

圖4 張力采集裝置程序圖

先將整個程序進行初始化，也就是要配置各域網的ID，對硬件進行初始化，設定相應的通信通道。當初始化完成之后，張力采集裝置就可以開始準備對張力等數據進行采集了。要采集刮板鏈的張力，就需要先給應變片的電橋電路提供必需的電壓，在電壓穩(wěn)定后，經過放大，將模擬的電壓數據轉換成為數字量，并存儲在內存里面。

在電橋電壓的采集結束以后，應變片的電源就被斷開，這個時候就可以開始準備發(fā)送相關的數據了。等到數據發(fā)送成功后，就可以自動進入到休眠模式，這個時候的消耗能量是非常低的。

3.2 數據接收裝置

將信號接收后，通過對電壓的數字化結果進一步進行換算后才能將信號進行下一步傳送。在CC2530 中，設置有兩個通信接口，而且這兩個通信接口都可以在單獨的輸入/輸出接口設置，從而對數據進行發(fā)送和接收，見圖5。

圖5 數據接收裝置電路

在CC2530 中，進一步添加控制驅動程序，將包括寫命令、顯示等寫入程序中，從而達到可以顯示監(jiān)測數據的目的，見下頁圖6。

3.3 接近開關

接近開關的功能是利用霍爾傳感器來實現的，通過霍爾傳感器在輸入端控制輸入電壓的穩(wěn)定，在輸出端控制輸出信號的穩(wěn)定，利用加入的電阻效應進一步穩(wěn)定輸出信號。

圖6 數據接收裝置顯示監(jiān)測數據

當張力采集裝置和霍爾傳感器模塊受到磁場的影響時，會產生下降沿信號，也就是中斷信號，這個信號被監(jiān)測到后，CC2530 會從休眠模式中退出，開始工作，執(zhí)行上面所說的系列程序，直到又開始進入休眠模式，見圖7。從這個過程可以得到，中斷程序和接近開關的相互合理配合，就可以實現張力采集裝置在電壓數據采集并且發(fā)送完了之后自動進入休眠模式，降低能量損耗，并在中斷信號時自動重新進行工作。

4 實際應用效果

對礦場所用的SGZ800/800 刮板輸送機刮板鏈張力采用監(jiān)控系統進行實時監(jiān)測。在監(jiān)測系統中，數據接收裝置一直處在接收的狀態(tài)，張力采集裝置在大部分的時候處在功耗比較低的狀態(tài)，這個時候的工作電流大約為0.5 mA；當霍爾傳感器受到磁場的影響時，張力采集裝置開始進行張力數據的采集和發(fā)送，采集到的數據實時顯示在LCD 上，從發(fā)送數據到接收這個過程經歷時間大約為16 ms。而在采集的過程中，這個時候的工作電流大概為20 mA，說明采集裝置能夠節(jié)省大約60 倍的能量。

5 結論

圖7 霍爾傳感器電路

對刮板輸送機的刮板鏈張力進行監(jiān)測裝置及程序設計，可以實現實時監(jiān)測刮板鏈的張力數據，有效避免由于刮板鏈故障而造成對生產的影響，同時設計的張力采集裝置對比普通的裝置能夠節(jié)省大約60 倍的能量損耗，無論從保障礦場的正常運行方面，還是節(jié)能方面，張力監(jiān)測系統對礦場的生產運營都有很大的利用價值。