刮板輸送機(jī)刮板鏈張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

梁衛(wèi)兵

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)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(jī)屬于重要設(shè)備。刮板鏈?zhǔn)禽斔瓦^程中必不可少給的關(guān)鍵部件，它是刮板的動(dòng)力來源，給刮板傳遞牽引力，從而對(duì)物料進(jìn)行輸送。而刮板鏈依靠摩擦力才能運(yùn)動(dòng)，受到動(dòng)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(duì)它進(jìn)行維修費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響到刮板輸送機(jī)的工作效率[1-2]。因此，對(duì)刮板鏈的監(jiān)測(cè)在生產(chǎn)過程中非常重要。其中，刮板鏈的張力在刮板鏈運(yùn)行過程占據(jù)重要位置，它能夠表征刮板鏈的運(yùn)行狀態(tài)，因此，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并通過張力傳感器，對(duì)刮板鏈的張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這樣可以實(shí)時(shí)判斷刮板鏈的工作狀態(tài)，及時(shí)預(yù)防刮板鏈故障，提高刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率，保障礦場(chǎng)的高效生產(chǎn)運(yùn)行。

1 刮板輸送機(jī)刮板鏈的故障原因

刮板鏈?zhǔn)潜粰C(jī)頭以及機(jī)尾的鏈輪進(jìn)行牽引，做循環(huán)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，固定在刮板鏈上的刮板就可以不斷將物料從機(jī)頭運(yùn)送至機(jī)尾，見圖1[3]。在這個(gè)過程中，刮板上輸送物料的不同，就會(huì)導(dǎo)致刮板鏈?zhǔn)艿降牧σ膊煌?，就是說負(fù)載不斷變化，這就使得鏈條受到的張緊力會(huì)不斷發(fā)生變化，張緊力太大或者太小都會(huì)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(huì)松弛，不管是在機(jī)頭還是機(jī)尾，鏈條和鏈輪的接觸就會(huì)松弛，就使鏈條容易脫離鏈輪，造成鏈輪的沖擊振動(dòng)，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(huì)造成摩擦力太大，不僅增大了設(shè)備的損耗，而且增加了運(yùn)行的阻力，會(huì)消耗更多的能量，造成能量浪費(fèi)。所以，有必要對(duì)張緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]。

圖1 刮板輸送機(jī)工作原理示意圖

2 張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，總共分為三個(gè)部分，見圖2。

1）張力采集裝置。它通過電池進(jìn)行供電，內(nèi)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(yīng)力采用的是集成應(yīng)變片，經(jīng)過放大電路，將采集的刮板鏈應(yīng)力輸出信號(hào)進(jìn)行放大，利用射頻芯片CC2530 采集以及AD 轉(zhuǎn)換，發(fā)射到空中。

2）數(shù)據(jù)接收裝置。它可以通過天線，獲得空中的信號(hào)信息，然后利用射頻芯片CC2530，將所獲得的張力信號(hào)信息進(jìn)行解調(diào)，然后上傳給上位機(jī)，或者是通過輸入/輸出接口控制LCD 顯示器，能夠?qū)崟r(shí)地顯示獲得的張力信息。

圖2 張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3）接近開關(guān)。該部件利用霍爾傳感器受磁場(chǎng)的影響，其中，永磁體和數(shù)據(jù)接收裝置的位置接近，當(dāng)張力采集裝置和霍爾傳感器模塊同時(shí)靠近永磁體時(shí)，由于磁場(chǎng)的影響，霍爾傳感器產(chǎn)生下降的電信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就會(huì)使張力采集裝置進(jìn)行張力采集的數(shù)據(jù)發(fā)送。在數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，張力采集裝置進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣可以節(jié)省能量損耗。

在這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，張力采集裝置被安裝在刮板下的壓板內(nèi)部，刮板是高強(qiáng)度的合金材質(zhì)；數(shù)據(jù)接收裝置被安裝在刮板輸送機(jī)具有類似合金材質(zhì)的中板內(nèi)部。這兩個(gè)的安裝位置都可以防止電磁波對(duì)信號(hào)的干擾。而應(yīng)變片由于是監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)各部分電路及程序

3.1 張力采集裝置

在張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，以張力采集電路為基礎(chǔ)對(duì)傳感器及信號(hào)調(diào)控方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

刮板輸送機(jī)的刮板鏈所受到的張力F 和它的應(yīng)變?chǔ)?成正比，它們的比例系數(shù)和彈性模量E 以及刮板鏈的橫截面積S 有關(guān)[6]：在張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用應(yīng)變片對(duì)張力進(jìn)行采集，它將刮板鏈的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成了電阻變化，而電橋電路就是將電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，但是這個(gè)變化電壓的輸出信號(hào)雖然很精確，但是范圍很小，因此需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)孔，見圖3。

圖3 張力采集電路圖

張力采集電路包括三個(gè)模塊：應(yīng)變片模塊、放大模塊以及濾波模塊。使用的集成應(yīng)變片包含了4 個(gè)相互連接并且垂直的柵狀的金屬絲。實(shí)際上，因?yàn)楣伟彐準(zhǔn)艿降膹埩ψ饔茫挥欣旆较驎?huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，所以，采用的集成應(yīng)變片中，只有其中的兩個(gè)是可以采集應(yīng)力信號(hào)的，另外兩個(gè)是溫度補(bǔ)償。在應(yīng)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(gè)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(dāng)輸出高電壓時(shí)，接電源的端口和CC2530 的輸入/輸出接口的電壓是相同的，這時(shí)，應(yīng)變片中沒有電流的處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)輸出低電壓時(shí)，應(yīng)變片中產(chǎn)生電流，這個(gè)時(shí)候應(yīng)變片就開始工作。應(yīng)變片的這個(gè)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(shù)據(jù)，還可以控制應(yīng)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(gè)程序進(jìn)行初始化，也就是要配置各域網(wǎng)的ID，對(duì)硬件進(jìn)行初始化，設(shè)定相應(yīng)的通信通道。當(dāng)初始化完成之后，張力采集裝置就可以開始準(zhǔn)備對(duì)張力等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集了。要采集刮板鏈的張力，就需要先給應(yīng)變片的電橋電路提供必需的電壓，在電壓穩(wěn)定后，經(jīng)過放大，將模擬的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，并存儲(chǔ)在內(nèi)存里面。

在電橋電壓的采集結(jié)束以后，應(yīng)變片的電源就被斷開，這個(gè)時(shí)候就可以開始準(zhǔn)備發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)了。等到數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，就可以自動(dòng)進(jìn)入到休眠模式，這個(gè)時(shí)候的消耗能量是非常低的。

3.2 數(shù)據(jù)接收裝置

將信號(hào)接收后，通過對(duì)電壓的數(shù)字化結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行換算后才能將信號(hào)進(jìn)行下一步傳送。在CC2530 中，設(shè)置有兩個(gè)通信接口，而且這兩個(gè)通信接口都可以在單獨(dú)的輸入/輸出接口設(shè)置，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收，見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)接收裝置電路

在CC2530 中，進(jìn)一步添加控制驅(qū)動(dòng)程序，將包括寫命令、顯示等寫入程序中，從而達(dá)到可以顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的目的，見下頁(yè)圖6。

3.3 接近開關(guān)

接近開關(guān)的功能是利用霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)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(hào)的穩(wěn)定，利用加入的電阻效應(yīng)進(jìn)一步穩(wěn)定輸出信號(hào)。

圖6 數(shù)據(jù)接收裝置顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

當(dāng)張力采集裝置和霍爾傳感器模塊受到磁場(chǎng)的影響時(shí)，會(huì)產(chǎn)生下降沿信號(hào)，也就是中斷信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被監(jiān)測(cè)到后，CC2530 會(huì)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(jìn)入休眠模式，見圖7。從這個(gè)過程可以得到，中斷程序和接近開關(guān)的相互合理配合，就可以實(shí)現(xiàn)張力采集裝置在電壓數(shù)據(jù)采集并且發(fā)送完了之后自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，降低能量損耗，并在中斷信號(hào)時(shí)自動(dòng)重新進(jìn)行工作。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

對(duì)礦場(chǎng)所用的SGZ800/800 刮板輸送機(jī)刮板鏈張力采用監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)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(shí)候處在功耗比較低的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候的工作電流大約為0.5 mA；當(dāng)霍爾傳感器受到磁場(chǎng)的影響時(shí)，張力采集裝置開始進(jìn)行張力數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD 上，從發(fā)送數(shù)據(jù)到接收這個(gè)過程經(jīng)歷時(shí)間大約為16 ms。而在采集的過程中，這個(gè)時(shí)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(jié)論

圖7 霍爾傳感器電路

對(duì)刮板輸送機(jī)的刮板鏈張力進(jìn)行監(jiān)測(cè)裝置及程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刮板鏈的張力數(shù)據(jù)，有效避免由于刮板鏈故障而造成對(duì)生產(chǎn)的影響，同時(shí)設(shè)計(jì)的張力采集裝置對(duì)比普通的裝置能夠節(jié)省大約60 倍的能量損耗，無(wú)論從保障礦場(chǎng)的正常運(yùn)行方面，還是節(jié)能方面，張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)都有很大的利用價(jià)值。