張 晉 虎

（晉煤集團長平公司，山西 晉城048000）

0 引 言

在礦山機械中，刮板輸送機是關鍵裝備之一，刮板鏈是刮板輸送機的關鍵部件，復雜的作業(yè)環(huán)境下容易導致鏈條出現(xiàn)故障。當故障發(fā)生時，降低煤礦生產(chǎn)的生產(chǎn)效率[1-2]。刮板輸送機中刮板鏈故障方式包括斷鏈、卡鏈等。刮板輸送機刮板鏈故障時，其張力較正常時會有顯著變化。所以，可通過檢測刮板鏈張力的變化判斷其是否在正常工作狀態(tài)，從而提高生產(chǎn)效率[3]。

刮板輸送機在礦井中所在位置低，刮板輸送機主要依靠中板的摩擦前進輸送開采下來的煤礦。在礦井中含有大量水分，水位升高有時能淹沒刮板回程。普通情況下安裝的張力檢測系統(tǒng)有時候會受到礦井水分的淹沒，信號受到干擾，檢測結(jié)果精度變差。因此，在對刮板輸送機安裝張力檢測系統(tǒng)時，需要考慮礦井下復雜環(huán)境的影響[4]。

本文在分析當前煤礦井下刮板輸送鏈張力檢測系統(tǒng)不足的基礎上，設計一種新型張力檢測系統(tǒng)，用于鏈條張力檢測。該系統(tǒng)通過無線電磁信號傳輸，安裝在中板與刮板內(nèi)部。張力采集裝置獲得刮板上的張力信息，發(fā)送給安裝在中板上的數(shù)據(jù)接收裝置，最后傳至LCD 顯示器或上位機，實現(xiàn)刮板鏈條張力的動態(tài)檢測。同時系統(tǒng)加入休眠機制，最大限度降低了檢測系統(tǒng)功率消耗。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構組成

礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統(tǒng)從功能上分為張力采集裝置、數(shù)據(jù)接受裝置、接近開關，如圖1所示。

圖1 礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統(tǒng)總體結(jié)構

1）張力采集裝置：該裝置的動力輸出源頭是電池，刮板鏈條張力通過應變片采集，采集的信號經(jīng)放大電路放大，然后依次通過CC2530、射頻模塊傳輸?shù)狡桨逄炀€。

2）數(shù)據(jù)接收裝置：天線將刮板鏈條張力接收后，再通過復雜媒介傳給CC2530，信號通過I/O 接口或者USB 接口模塊被解調(diào)后傳遞給上位機。

3）接近開關：接近開關包括永磁體和霍爾傳感器兩個重要模塊，這兩個模塊配合工作行成張力采集裝置的休眠機制，降低了采集系統(tǒng)的功率消耗。當信號傳輸完成，采集裝置開始休眠，隨后永磁體再次檢測到信號后喚醒張力采集裝置，開始新一輪數(shù)據(jù)采集。

2 張力檢測系統(tǒng)安裝

礦山刮板輸送機鏈條張力輸送裝置是運動的，在運動過程中采集張力的困難比靜止時采集難度大，為了完成張力的準確采集，所以把信息采集裝置安裝在刮板內(nèi)，隨刮板一起運動，從而實現(xiàn)張力采集和傳輸。在礦井復雜的環(huán)境下，數(shù)據(jù)接受裝置安裝位置有嚴格的要求，在合適的位置對于保證檢測數(shù)據(jù)的準確性具有重要意義。電磁波容易受到礦井水、礦渣等干擾，所以安裝時需要注意。

為了保證礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統(tǒng)的正常工作，需要改造刮板輸送機組件。便于應變片的粘貼，在刮板中部開設槽口；下板加工出通孔和空腔，一方面連接應變片與電路的導線通過下板空腔的通孔接入，另一方面空腔中安裝霍爾傳感器和張力采集裝置；中板中部用于安裝永磁體和數(shù)據(jù)接收裝置。安裝刮板張力檢測系統(tǒng)的上板、中板、下板結(jié)構圖如圖2 所示。

圖2 安裝張力檢測系統(tǒng)的上板、中板、下板結(jié)構圖

煤礦井下環(huán)境復雜多變，需要保證檢測系統(tǒng)具有相對穩(wěn)定的工作條件，才能提高檢測精度。對張力檢測系統(tǒng)來說，進行合適的位置安裝能夠有效避免礦山復雜環(huán)境對檢測數(shù)據(jù)的影響和干擾，電磁波容易受到干擾導致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)失誤，從而影響正常檢測結(jié)果，嚴重時影響輸送機工作，降低煤礦生產(chǎn)效率。所以，合理的安裝能夠保證系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，提升檢測系統(tǒng)使用性能。

3 張力檢測系統(tǒng)無線通信傳輸方案

在煤礦開采過程中，礦井中會有大量的礦水，水中含有復雜的鹽離子，這些鹽離子會對數(shù)據(jù)的采集和傳輸造成干擾。普通帶有電纜線的張力采集系統(tǒng)，容易受到礦井水和礦渣的影響，從而導致數(shù)據(jù)傳輸受阻。為此，可以采用無線通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而有效檢測礦山刮板機鏈條張力。

3.1 無線通信的工作原理

礦山刮板輸送機張力檢測系統(tǒng)采用無線通信的方式，安裝如圖3 所示。由于礦山刮板輸送機的下壓板是鋼這類對電磁波干擾的金屬。所以需要設置防護罩，并且留出信號傳輸口。此外，增加使用對電磁波無干擾的陶瓷材料，保證電磁波正常傳輸。

圖3 無線通信布置方案

如圖3 所示，礦水經(jīng)常會漫延至中板部位，在回程刮板中留有信號溢出口，電磁波信號從該口發(fā)出，被數(shù)據(jù)接收裝置接收。電磁波在經(jīng)過水傳播的過程中會發(fā)生衰減、反射、折射等現(xiàn)象，當電磁波垂直透射時，信號損耗最小。

由以上分析可知，電磁波在通過介質(zhì)傳播時，不可避免的出現(xiàn)衰減，衰減的電磁波影響通信可靠性。選擇合適的通信距離對于提高張力檢測的精度十分必要。

3.2 無線通信距離模型設計

設置無線通信模型，并將圖3 中無線通信方案導入仿真軟件HFSS 計算。為了提高計算的效率，節(jié)省計算時間，簡化仿真模型。忽略下板中鋼材對電磁波的影響，簡化為圖4 仿真模型。

圖4 無線通信仿真模型

如圖4 所示，設置簡單的無線通信模型，包括三個重要部分，即發(fā)射、接收天線、信號溢出口。接收天線、發(fā)射天線分別位于中板的空腔和刮板位置，設有保護罩，保護罩溢出口介質(zhì)為陶瓷，空腔內(nèi)介質(zhì)為空氣。礦井水在2 個保護罩之間，系統(tǒng)導電率大小設為4m/s，介電常數(shù)為81，發(fā)射天線功率為4.5dB?m。設d為兩水平溢出口之間距離，h 為垂直距離。

通過仿真求出不同h 下的d 與Pacc 曲線關系，如圖5 所示。

圖5 不同h 下的d 與Pacc 曲線關系

由圖5 可知，在水平距離變化時，接收功率先增大后減小，當水平距離h 滿足1mm≤h≤6mm，垂直距離d 滿足-25mm≤d≤25mm，接收功率Pacc＞-97dB·m，天線能夠接收到無線信號，可保證檢測數(shù)據(jù)傳輸。

4 實例分析應用驗證

4.1 在趙莊礦進行相應工況檢測

為了驗證試驗結(jié)果以及張力檢測系統(tǒng)實用性能，開展礦井實際驗證。驗證礦山刮板輸送鏈條張力檢測裝置如圖6 所示。

由圖6 可知，保護罩固定在鋼結(jié)構上，在鋼結(jié)構與保護罩之間添加防水裝置，防止礦井水造成數(shù)據(jù)傳輸干擾。

圖6（a）所示的張力采集裝置，內(nèi)部裝有發(fā)射天線和霍爾傳感器，圖6（a）中數(shù)據(jù)接收裝置接收天線貼近溢出口，永磁體安裝在空腔中。2 個鋼結(jié)構中放入氯化鈉溶液，設有引出導線，對于張力數(shù)據(jù)的接收極為方便?，F(xiàn)場驗證時，對通孔處采取防水措施，避免影響信號接收與傳輸，刮板機輸送鏈張力被采集傳輸給上位機。

4.2 檢測結(jié)果分析

刮板輸送機張力檢測系統(tǒng)中，可以根據(jù)上位機接收到的數(shù)據(jù)判斷張力情況，分析實施檢測的結(jié)果，驗證該系統(tǒng)在進行鏈條張力檢測時是否可靠。

驗證現(xiàn)場軟件設施和硬件設施安裝完成后，將2個鋼結(jié)構放入氯化鈉水溶液，對2 個信號溢出口的位置進行階段性調(diào)整，以觀察檢測系統(tǒng)對張力的檢測情況。當垂直距離從-200mm 增加到200mm 時，水平距離范圍在1 mm＜h＜5 mm，上位機可以正常接收刮板輸送機鏈條張力。

為了考察張力檢測系統(tǒng)工作時的功率大小，使用示波器對系統(tǒng)的運行功率進行測試，當刮板輸送機張力檢測系統(tǒng)正常工作時，測得電流大小為20 mA，當系統(tǒng)進入休眠機制，電流遠遠小于正常工作狀態(tài)下的電流值，實際測得電流大小僅為0.48 mA。由此可知，帶有休眠機制的刮板輸送機張力檢測系統(tǒng)可以節(jié)約大量的能源消耗，把功率降低到工作狀態(tài)下的1/40，極大提高了張力檢測系統(tǒng)的使用壽命。

5 結(jié) 論

針對當前礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統(tǒng)檢測精度差、系統(tǒng)易損壞、功耗過大等問題，設計礦山輸送機鏈條張力檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠避免復雜礦井環(huán)境對檢測結(jié)果的影響，提高檢測精度。張力采集裝置獲得刮板上的張力信息，通過無線電磁信號傳輸，發(fā)送給安裝在中板上的數(shù)據(jù)接收裝置，最后傳至LCD 顯示器或上位機，實現(xiàn)刮板鏈條張力的動態(tài)檢測。本文對張力檢測系統(tǒng)開展仿真研究，仿真顯示天線能夠接收到無線信號，可保證檢測數(shù)據(jù)傳輸。最后進行礦井實驗，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸，節(jié)約功率消耗，避免了惡劣環(huán)境張力檢測失效，檢測效果良好。