楊海虹
(汾西礦業(yè)集團(tuán)設(shè)備修造廠, 山西 介休 032000)
刮板輸送機(jī)是煤炭開采時(shí)的關(guān)鍵設(shè)備之一,刮板鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)主要組成單元,受到刮板輸送機(jī)鋪設(shè)距離長(zhǎng)、負(fù)載大以及使用環(huán)境惡劣等因素影響,刮板鏈容易出現(xiàn)各類事故,輕則影響刮板輸送機(jī)運(yùn)輸效率,重則引發(fā)安全事故[1]。刮板鏈常見故障類型包括有卡鏈、斷鏈等,當(dāng)刮板鏈出現(xiàn)故障時(shí)張緊力會(huì)出現(xiàn)顯著變化,因此通過監(jiān)測(cè)刮板鏈張緊力可對(duì)刮板鏈?zhǔn)欠裉幱谡顟B(tài)進(jìn)行判定,以便達(dá)到提升刮板輸送機(jī)工作效率的目的;同時(shí)刮板鏈張力過大會(huì)加劇設(shè)備運(yùn)行阻力,從而增加刮板輸送機(jī)運(yùn)行能耗,因此對(duì)刮板鏈張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),可為技術(shù)人員判定刮板輸送機(jī)是否出現(xiàn)故障提供參考,并對(duì)提升設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性及壽命等起到一定的促進(jìn)作用[2-3]。文中就在分析刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,提出一種基于ZigBee 的刮板鏈張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過在刮板鏈上布置應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)張力監(jiān)測(cè)、通過ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸,達(dá)到刮板鏈張力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的。
山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能為280 萬t/a,回采煤層包括有3 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)、9 號(hào)及13 號(hào)等,煤層賦存條件較好、開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。3306 綜采工作面回采3 號(hào)煤層,煤層厚度均值為3.2 m、傾角為3°~10°,頂?shù)装鍘r性以泥巖、粉砂巖及碳質(zhì)泥巖等為主。3306綜采工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度為1 880 m、采面斜長(zhǎng)260 m,鋪設(shè)的刮板輸送機(jī)長(zhǎng)度為262 m,型號(hào)為SGZ764-400型,具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。
表1 刮板機(jī)技術(shù)參數(shù)
SGZ764-400 刮板輸送機(jī)具備有運(yùn)輸量大、適應(yīng)性強(qiáng)以及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì),主要結(jié)構(gòu)有機(jī)頭、機(jī)尾、刮板鏈、刮板、中板以及其他附屬設(shè)備等。刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置同歸帶動(dòng)鏈輪驅(qū)動(dòng)刮板鏈、刮板循環(huán)移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)刮板鏈上原煤運(yùn)輸。受到煤炭開采地質(zhì)條件復(fù)雜、采煤機(jī)割煤以及煤層賦存條件等多因素影響,刮板輸送機(jī)負(fù)載、使用環(huán)境等處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài),導(dǎo)致不同狀態(tài)下刮板鏈張力有所差異。當(dāng)刮板鏈張力過大時(shí)容易增大刮板鏈與鏈輪、中部槽間磨損程度同時(shí)容易誘發(fā)斷鏈故障,增大設(shè)備運(yùn)行能耗;當(dāng)刮板鏈張力偏小時(shí),則導(dǎo)致鏈條過松,容易造成刮板輸送機(jī)啟動(dòng)或者停機(jī)期間出現(xiàn)鏈輪振動(dòng)、沖擊或者鏈條脫輪問題,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致斷鏈、卡鏈等事故。3306 綜采工作面在生產(chǎn)過程中曾多次出現(xiàn)卡鏈引起驅(qū)動(dòng)裝置溫度過高問題,導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。為此,文章構(gòu)建刮板鏈張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過張緊力監(jiān)測(cè)提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性。
具體構(gòu)建的刮板鏈張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示,主要結(jié)構(gòu)組成單元包括有張力監(jiān)測(cè)模塊、無線通信模塊以及數(shù)據(jù)接收裝置等,具體架構(gòu)如圖1 所示。刮板鏈張力監(jiān)測(cè)主要依靠應(yīng)變片實(shí)現(xiàn),張力值依靠ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸,張力值監(jiān)測(cè)結(jié)果通過上位機(jī)進(jìn)行處理、分析以及顯示。實(shí)現(xiàn)刮板鏈張力值精準(zhǔn)測(cè)定以及結(jié)構(gòu)高精度、高效傳輸是實(shí)現(xiàn)張力監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵所在,為此文中就重點(diǎn)對(duì)張力監(jiān)測(cè)裝置以及ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等進(jìn)行分析。
圖1 刮板鏈張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)
刮板輸送機(jī)運(yùn)行期間刮板鏈不斷移動(dòng),采用的張力監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)隨著刮板鏈不斷前移,因此提出應(yīng)變片測(cè)定刮板鏈張力,同時(shí)通過內(nèi)置天線將應(yīng)變片監(jiān)測(cè)值傳輸,從而實(shí)現(xiàn)刮板鏈張力監(jiān)測(cè)。為確保張力監(jiān)測(cè)可靠性并為應(yīng)變片、天線安裝創(chuàng)造條件,需要改造刮板鏈鏈條結(jié)構(gòu)。在刮板鏈橫聯(lián)圓柱上開平槽以便為應(yīng)變片安裝創(chuàng)造良好條件,同時(shí)在應(yīng)變片表面涂抹防護(hù)膠,達(dá)到保護(hù)應(yīng)變片目的;在中板空腔內(nèi)布置無線信號(hào)發(fā)射裝置,并通過上下保護(hù)罩保護(hù),為無線信號(hào)發(fā)射裝置提供保護(hù),降低粉塵、礦井水等影響。
張力采用2 個(gè)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)并與集成電路連接,將應(yīng)變片應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成張力值,同時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果通過無線通信裝置傳輸。具體與應(yīng)變片連接的集成電路結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示,主要結(jié)構(gòu)模塊包括有應(yīng)變片模塊、方法??煲约盀V波模塊,在應(yīng)變片模塊中端頭1、端頭3用以監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸,端頭4 與供電電源連接,端頭2與CC2530 端頭連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。
圖2 集成電路結(jié)構(gòu)示意圖
集成電路數(shù)據(jù)采集流程如圖3 所示,集成電路可獲取應(yīng)變片值并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)對(duì)集成電路進(jìn)行供電、休眠等模式控制,降低能耗,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間低功能耗運(yùn)行。
圖3 集成電路運(yùn)行流程圖
無線通信主要依靠CC2530 處理器、無線天線實(shí)現(xiàn)信傳輸。采用的CC2530 處理器與ZigBee 芯片具有較好的兼容性,同時(shí)通信接口豐富,具體技術(shù)參數(shù)如表2 所示。張力監(jiān)測(cè)結(jié)果通過天線傳輸給上位機(jī),由于安裝空間狹小,為提升通信質(zhì)量,采用螺旋狀金屬網(wǎng)作為天線兩臂,在減少占用空間集成上增加天線長(zhǎng)度,具體安裝長(zhǎng)度可達(dá)到30 cm 以上。采用的天線最大輻射方向增益為4.171 dB,通信效果較好、效率高。
表2 技術(shù)參數(shù)
在構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)首先對(duì)ZigBee 協(xié)議進(jìn)行初始化處理,向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)申請(qǐng),成功后則分配對(duì)應(yīng)的IP,將采集得到的刮板鏈張力支數(shù)據(jù)打包發(fā)送。
為驗(yàn)證上文構(gòu)建的基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的刮板鏈張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果以及測(cè)量精度,將刮板鏈張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到3306 采面SGZ764-400 刮板輸送機(jī)刮板鏈上。對(duì)構(gòu)建的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)強(qiáng)、通信質(zhì)量佳、延時(shí)時(shí)間短,上位機(jī)可精準(zhǔn)獲取刮板鏈張力監(jiān)測(cè)值。對(duì)張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取得到的刮板鏈張力值與現(xiàn)場(chǎng)人工實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì),具體結(jié)果如表3 所示,從監(jiān)測(cè)結(jié)果看出,系統(tǒng)獲取得到監(jiān)測(cè)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值接近,多次測(cè)量誤差均在5%以內(nèi),表明文中構(gòu)建的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)刮板鏈張力值高效監(jiān)測(cè)。
表3 張力監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果
依據(jù)刮板輸送機(jī)運(yùn)行工況以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,提出基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建刮板鏈張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),充分發(fā)揮ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信低能耗、效率高的優(yōu)點(diǎn)。將應(yīng)變片、張力監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)置在刮板鏈上,隨著刮板鏈移動(dòng)實(shí)現(xiàn)張力值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)通過保護(hù)裝置避免煤塊、矸石等對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置影響。
對(duì)張力監(jiān)測(cè)、ZigBee 通信裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程等進(jìn)行詳細(xì)分析,并在3306 采面SGZ764-400 刮板輸送機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明,張力監(jiān)測(cè)裝置獲取得到的刮板鏈張力值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值誤差在5%以內(nèi),監(jiān)測(cè)結(jié)果較為精準(zhǔn);同時(shí)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、延時(shí)時(shí)間短以及通信質(zhì)量高,可滿足采面復(fù)雜惡劣環(huán)境需要。