刮板链张力监测系统的设计研究

李永红

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿， 山西 太原 030203）

引言

随着科学技术的进步，我国已经采用机械化采煤的方式。综采工作面的设备主要是由采煤机、刮板输送机、破碎机以及转载机等组成，刮板输送机在综采工作面承担着运输煤炭的任务。当采煤机将煤炭从煤壁上截割下来后，刮板输送机将其输送至破碎机中。刮板输送机同时还是采煤机的运行轨道，也是液压支架移架的支点，由此可知，刮板输送机是综采工作面不可或缺的大型机电设备[1]。刮板输送机主要是由驱动电机、减速器、链轮、刮板以及刮板链组成的，其工作过程中主要是通过驱动电机提供整个设备的动力来源，通过减速机带动链轮转动，链轮带动刮板链拖动刮板进行输送煤炭的动作，将刮板输送机上的煤炭输送至刮板输送机的头部，完成整个煤炭的运输。刮板链是刮板输送机输送煤炭的关键工作部件，用来传递动力和直接刮运煤炭[2]。刮板链在刮板输送机上工作的过程主要是以滑动摩擦的方式进行运行，承受着较大的静载荷和动载荷。在日常的使用过程中，刮板输送机经常会出现卡链、断链等现象的发生，并且随着工作时间的增加，刮板链的张紧力会降低，这就降低了刮板链在实际使用过程中的工作效率，因此对刮板链的张紧力进行监测就显得尤为重要[3]。目前社会上现有的监测张紧力的方式主要有两种：第一种，对刮板链的物理状态进行监测，利用力学传感器等对其物理参数进行监测，当其传感器发生变化时，这就说明了刮板链已经出现了故障。这种检测方式存在着一定的滞后性，当其出现故障时，才能够反馈出相应的信号，这就极大地影响了带式输送机的开机率。第二种是对刮板链的张紧力进行监测，张紧力的变化表示刮板链的工作状态，当处于工作状态出现不同情况刮板链的张紧力会发生显著变化，尤其出现卡链时，张紧力会由于电机的驱动发生短时间的剧增，这就可以利用对张紧力的变化实现对刮板链故障进行实时监测，降低刮板链的故障率，提高刮板输送机的开机率及煤炭开采效率。

1 刮板输送机故障原因及实际工况对监测系统的影响

1.1 刮板输送机故障原因

刮板输送机是以挠性体为牵引机构的连续运输机械，在综采工作面承担着全部的运输任务，该装置在井下的工作环境是十分恶劣。刮板输送机工作过程中，其刮板链的张紧力处于动态变化中，当其遇到工况的变化时，刮板链过紧过松都会对刮板输送机正常的运行状态产生影响。当受到长时间的重载和摩擦作用的影响，刮板链会出现松弛的状态，这就会导致刮板链在刮板输送机头轮位置出现脱链的现象。当载荷突然增加或者是刮板链卡链时，会造成刮板链产生急剧的张紧力变化，造成刮板链变紧，甚至可能出现断链现象发生。本文结合实际工作中造成刮板链过紧或过松的现象原因进行分析，主要有以下几点：

1）由于工作面位置的倾斜，造成刮板链不平整，刮板链产生水平和垂直方面的弯曲。

2）刮板输送机上煤炭的产量增加，刮板链负载发生变化。

3）长时间的磨损造成了刮板链的机械失效现象发生。

4）综采工作面高湿的空气和具有腐蚀性的矿井水的长期腐蚀，致使刮板链生锈，强度明显降低。

5）工作人员的操作不当会造成刮板链链距不同或者其装置的螺栓等的脱落也会产生故障。

1.2 实际工况对监测系统的影响

对刮板输送机刮板链张力监测系统进行设计需要充分考虑到井下的实际工况对监测系统的影响，本文主要从综采工作面的矿井水、电气设备的电磁干扰进行分析。

1）井下开采煤炭的过程中通常会有地下水的渗出，根据不同地方的地理环境和水文环境，井下矿井水的性质也各不相同。当其出现大量地下水渗出时，若刮板输送机的位置较低，就会出现将刮板输送机淹没的情况。当对监测系统进行设计时，就需要充分考虑其防水措施，对张力监测系统中的采集装置进行密封设计。在封装设计的过程中要考虑到刮板输送机钢性机体对无线通信质量的影响，需要设置相应的特殊信号溢出口。同时当矿井水漫过机体时，水体会影响电磁波的发散，使得电磁波产生能量损耗。

2）井下综采工作面存在着大量的高压线和大功率的电机设备，当其工作时，会产生电流的波动，产生电磁干扰。在设计时要充分考虑使用高频段的电磁波超过井下产生的干扰频率。

2 刮板链张力监测系统的整体方案设计

结合刮板输送机的实际使用情况，根据刮板链张力监测系统的功能需要，刮板链张力监测系统主要分为以下三部分：

1）张力信号采集部分。该部分主要是由两个集成应变片作为张力物理量的采集装置，通过信号的转换将张力转换为电信号，同时将信号发送出去。

2）数据接收部分。该部分主要是信号接收装置接收到采集部分的信号后解调，随后将信号传输至上位机及显示装置上对张力状态进行显示。

3）接近开关部分。该部分主要是由永磁体装置进行监测，当前两部分的装置靠近永磁体装置时，霍尔传感器接收到信号后，向前两部分发送信号采集和数据传送任务。当整个任务完成后，整个监测系统进入到休眠状态。

在装置实际安装时，张力信号采集部分的应变片是直接连接在刮板链上的，数据接收部分的天线装置以及接近开关的霍尔传感器及其他装置是安装在刮板输送机内腔中的，其导线部分和信号放大电路部分需要导线连接时，在刮板输送机上加工通孔实现其导线的连接。装置安装在内腔时，需要采用保护罩来进行密封操作。其装置的整个控制芯片采用的是CC2530，该芯片能够实现整个监测系统的信号的采集和信号的处理功能。在芯片的供电方面采用两种模式的电源供给，一种是高功率的工作状态，另一种是休眠模式，达到节能的效果。装置的安装图如图1 所示。

图1 装置的安装示意图

3 刮板链张力监测系统的软件设计

刮板链张力监测系统主要是由三部分组成，分别是应用层、通信层以及硬件抽象层。该系统的软件架构图如图2 所示。

图2 软件架构

刮板链张力采集系统的工作流程首先进行程序的初始化，程序初始化完成后，对应变片进行供电，供电完成后系统对其电压的稳定性进行判定，当其电压稳定后，进行应变片的数据采集工作，数据采集完成后将应变片采集到的信号传送至处理器，完成数据采集系统的工作，其装置的程序流程图如图3 所示。

图3 数据采集层的程序流程图

4 实验验证

为了保证该设计能够在井下正常运行，通过对其进行实验验证，保证其功能的完整性，其装置的硬件图如图4 所示。

图4 刮板链张力监测系统硬件装置

当整个装置连接完成后对其张力监测装置部分使用永磁体靠近传感器，根据实际的测试表明，显示器部分和上位机部分都能够接收到相关信号的数据，以此证明刮板链张力监测系统的数据采集及数据的发送功能正常。

5 结语

矿井综采工作面设备的自动化和智能化程度不断提升。本文通过对刮板输送机在井下发生故障的问题进行分析，研究了井下实际工况中刮板链张紧力监测系统需要注意的两个方面的因素，以此为基础设计了刮板链张力监测系统的整体方案，并对其数据采集系统的程序流程图进行了设计。最后通过实际实验，验证了刮板输送机刮板链张力监测系统功能正常。刮板链的数据监测系统能够在刮板输送机使用过程中对其故障的发生进行预测，提升刮板输送机的开机率，从而提升煤炭开采的效率。