米石巖

霍州煤電集團河津五星煤業(yè)有限責任公司 山西 運城 043302

1 前言

隨著我國開采年限的增加，煤礦開采的重點逐步向著覆存條件復雜的煤層進行轉(zhuǎn)移，這無疑對煤礦機械設備的可靠性提出一定的要求。刮板輸送機作為煤礦重要的運輸設備，其運行性能的可靠與安全直接影響著礦井的正常生產(chǎn)[1]，由于工況環(huán)境較為惡劣使得刮板輸送機的鏈張緊系統(tǒng)極易出現(xiàn)故障引起的損壞，所以對刮板輸送機張緊系統(tǒng)進行研究是十分重要的，此前張晉虎[2]為解決礦山刮板輸送機鏈條張力檢測系統(tǒng)精度差、易損壞、耗能大的問題，給出了新型張力檢測系統(tǒng)。通過無線電磁信號的傳輸采集刮板的張力，再將張力顯示于LCD顯示器，從而實現(xiàn)刮板鏈條張力的實時檢測。發(fā)現(xiàn)，設計方案能夠滿足鏈條張緊需求。本文基于電流法對刮板輸送機的鏈條張緊系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，為提升礦井開采效率做出一定的貢獻。

2 電流法原理分析

刮板輸送機作為一種撓性連續(xù)運輸設備，刮板鏈是其重要的牽引部件，其工作原理是將刮板與鏈條進行固定，組合而成刮板鏈，將刮板鏈的敞開部分放置于溜槽位置，當驅(qū)動電機開始運行時帶動鏈條進行運轉(zhuǎn)，從而使得刮板開始運轉(zhuǎn)，將裝載的煤矸石運輸至機頭位置卸載，完成刮板輸送機工作任務。

電流法也可稱呼為無傳感器故障診斷法，通過檢測異步電機的電流變化，從而實現(xiàn)異步電機與外部設備的故障診斷。當機械發(fā)生故障時，此時的旋轉(zhuǎn)方向的振動發(fā)生較為明顯，使得相連軸系的振動頻率出現(xiàn)一定的波動，波動按照形式一般分為自由扭轉(zhuǎn)和強迫扭轉(zhuǎn)，本文主要分析強迫扭轉(zhuǎn)，發(fā)生強迫扭轉(zhuǎn)最為重要的原因是由于刮板軸系的載荷出現(xiàn)變動，振動通過傳遞使得驅(qū)動電機出現(xiàn)振動。對基于電流法鏈條張緊進行研究時首先需要建立異步電機轉(zhuǎn)子和負載扭轉(zhuǎn)模型，模型如圖1所示。

圖1 異步電機轉(zhuǎn)子和負載扭轉(zhuǎn)模型

如圖1所示，J1為電機的轉(zhuǎn)動慣量，N.M.s-2；TL為軸的耦合扭矩，N.M；J2為軸系的轉(zhuǎn)動慣量，N.M.s-2；Te為電機的空氣扭矩，N.M；θ1θ2為轉(zhuǎn)子的位移，ω1ω2為角速度。所以電機與軸系的動態(tài)方程表達形式如下所示：

式中：K代表剛度，N/m；J為轉(zhuǎn)動慣量，N.M.s-2；將上式進行進一步轉(zhuǎn)換，得到如下公式：

電機的力矩可以表示為：

式中：n為電機的額定轉(zhuǎn)速，r/s；PN為電機的額定功率kW；

可以看出，模型為電流、電壓、轉(zhuǎn)速、力學參數(shù)等共同組成的耦合系統(tǒng)，在系統(tǒng)運行過程中，當設備發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動時，此時的傳動扭矩TL周期性波動，相當于迫振系統(tǒng)。

對鏈條的張力進行計算，計算方法選定為逐點張力法，計算原理是一點張力等于上一點張力減去兩點張力間的阻力。同時張力與輸送機的鋪設方向有著密切的關(guān)系。

將計算得出的刮板輸送機阻力空載100N重載200N代入至仿真模擬中進行仿真計算，設定通訊的間隔為5e-5，張力分別設定為4300N，3000N，設置的最大步長為1e-10，刮板鏈的重量設置為50kg，刮板輸送機的運行方向為水平，對張緊力較小和較大分別進行仿真研究，仿真結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，（a）（c）為刮板輸送機在預緊力較大或較小情況下的電流情況，可以看出隨著運行時間的增加，不同張緊力下的電流逐步趨于穩(wěn)定。而圖3（b）（d）為電流數(shù)據(jù)的FFT變換后電流頻譜圖，在不同張緊力下的電流頻譜圖有著明顯的差距，當預緊力較大時，此時定子電流FFT變換后的數(shù)據(jù)較預緊力較小時的數(shù)據(jù)小，從而可以看出，利用電流法來檢測刮板輸送機鏈傳動系統(tǒng)張力變化是完全可行的。

圖3 張力較大、較小時頻譜曲線

3 驗證實驗

對基于電流法的刮板輸送機鏈張緊系統(tǒng)進行試驗研究，首先對實驗裝置進行布置，試驗裝置根據(jù)其功能可分為信號采集部分和機械部分，其中機械部分選定JW09A0-4號電機，JZQ-200型減速器，張緊裝置選用張緊螺栓，通過螺栓的調(diào)節(jié)使得皮帶間的間距實現(xiàn)調(diào)節(jié)，從而得到張力的調(diào)整。信號采集裝置選型，電流傳感器選定為霍爾傳感器，其具有精度高、測量范圍廣、動態(tài)性能好、可靠性高、體積小等優(yōu)點，同時檢測探頭選定為Fluke i1000s，探頭能夠消除系統(tǒng)雜音、噪聲等問題，在不切斷線路的情況下進行電流檢測。數(shù)據(jù)采集箱選用UA306S，UA306S采集箱是一種新型A/D產(chǎn)品，通過USB接口與上位機等進行連接，實現(xiàn)信號的采集。信號的處理系統(tǒng)選定為matlab軟件，處理系統(tǒng)通過對異步電機的電流信號進行實時的分析，生成頻譜圖，并對頻譜圖的峰值進行識別，以此對比刮板輸送機鏈條張力是否正常，正常情況下是否存在張緊和放松的情況，并采取相應的措施。

仿真試驗為驗證試驗，通過觀察電機定子電流來確定扭轉(zhuǎn)振動頻率，測得數(shù)據(jù)后通過matlab將其進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換后的電流曲線如圖3所示。

如圖3所示，橫軸為頻率，縱軸為電流，從圖中可以看出，當張力的大小發(fā)生一定變化時，此時的鏈輪與刮板嚙合剛度發(fā)生變化，使得兩者的扭轉(zhuǎn)振動頻率也發(fā)生了變化，此時安裝的電流傳感器檢測到系統(tǒng)電流發(fā)生的變化，及時進行張緊力的調(diào)整，根據(jù)圖可以得出張力較大、較小時頻率與電流的關(guān)系。當張力較大時，頻率48.8Hz時取到電流的最大值6306mA，當張力較小時，頻率在48.4Hz時取到最大值7954mA，電流法可以較好的實現(xiàn)刮板輸送機鏈傳動張力的控制，及時定位故障，保障刮板輸送機平穩(wěn)運行。

4 結(jié)束語

（1）本文介紹了電流法張力控制的工作原理，給出了異步電機轉(zhuǎn)子和負載扭轉(zhuǎn)模型和計算公式，為后續(xù)設計提供依據(jù)。

（2）對基于電流法刮板輸送機鏈張緊系統(tǒng)進行研究，分別對比了張緊力較小和較大時的電流曲線及頻譜圖。

（3）利用仿真研究對基于電流法張緊系統(tǒng)可行性進行驗證研究，發(fā)現(xiàn)電流法可以較好的實現(xiàn)刮板輸送機鏈傳動張力的控制，保障刮板輸送機平穩(wěn)運行。