刮板輸送機(jī)鏈條自動(dòng)張緊系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

米石巖

霍州煤電集團(tuán)河津五星煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 運(yùn)城 043302

1 前言

隨著我國(guó)開(kāi)采年限的增加，煤礦開(kāi)采的重點(diǎn)逐步向著覆存條件復(fù)雜的煤層進(jìn)行轉(zhuǎn)移，這無(wú)疑對(duì)煤礦機(jī)械設(shè)備的可靠性提出一定的要求。刮板輸送機(jī)作為煤礦重要的運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)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(jī)的鏈張緊系統(tǒng)極易出現(xiàn)故障引起的損壞，所以對(duì)刮板輸送機(jī)張緊系統(tǒng)進(jìn)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(jī)鏈條張力檢測(cè)系統(tǒng)精度差、易損壞、耗能大的問(wèn)題，給出了新型張力檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線電磁信號(hào)的傳輸采集刮板的張力，再將張力顯示于LCD顯示器，從而實(shí)現(xiàn)刮板鏈條張力的實(shí)時(shí)檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)方案能夠滿(mǎn)足鏈條張緊需求。本文基于電流法對(duì)刮板輸送機(jī)的鏈條張緊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，為提升礦井開(kāi)采效率做出一定的貢獻(xiàn)。

2 電流法原理分析

刮板輸送機(jī)作為一種撓性連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，刮板鏈?zhǔn)瞧渲匾臓恳考涔ぷ髟硎菍⒐伟迮c鏈條進(jìn)行固定，組合而成刮板鏈，將刮板鏈的敞開(kāi)部分放置于溜槽位置，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)鏈條進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使得刮板開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，將裝載的煤矸石運(yùn)輸至機(jī)頭位置卸載，完成刮板輸送機(jī)工作任務(wù)。

電流法也可稱(chēng)呼為無(wú)傳感器故障診斷法，通過(guò)檢測(cè)異步電機(jī)的電流變化，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)與外部設(shè)備的故障診斷。當(dāng)機(jī)械發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)發(fā)生較為明顯，使得相連軸系的振動(dòng)頻率出現(xiàn)一定的波動(dòng)，波動(dòng)按照形式一般分為自由扭轉(zhuǎn)和強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)，本文主要分析強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)，發(fā)生強(qiáng)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(dòng)，振動(dòng)通過(guò)傳遞使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)。對(duì)基于電流法鏈條張緊進(jìn)行研究時(shí)首先需要建立異步電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載扭轉(zhuǎn)模型，模型如圖1所示。

圖1 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載扭轉(zhuǎn)模型

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

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

電機(jī)的力矩可以表示為：

式中：n為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/s；PN為電機(jī)的額定功率kW；

可以看出，模型為電流、電壓、轉(zhuǎn)速、力學(xué)參數(shù)等共同組成的耦合系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)設(shè)備發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，此時(shí)的傳動(dòng)扭矩TL周期性波動(dòng)，相當(dāng)于迫振系統(tǒng)。

對(duì)鏈條的張力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法選定為逐點(diǎn)張力法，計(jì)算原理是一點(diǎn)張力等于上一點(diǎn)張力減去兩點(diǎn)張力間的阻力。同時(shí)張力與輸送機(jī)的鋪設(shè)方向有著密切的關(guān)系。

將計(jì)算得出的刮板輸送機(jī)阻力空載100N重載200N代入至仿真模擬中進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)定通訊的間隔為5e-5，張力分別設(shè)定為4300N，3000N，設(shè)置的最大步長(zhǎng)為1e-10，刮板鏈的重量設(shè)置為50kg，刮板輸送機(jī)的運(yùn)行方向?yàn)樗?，?duì)張緊力較小和較大分別進(jìn)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(jī)在預(yù)緊力較大或較小情況下的電流情況，可以看出隨著運(yùn)行時(shí)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(dāng)預(yù)緊力較大時(shí)，此時(shí)定子電流FFT變換后的數(shù)據(jù)較預(yù)緊力較小時(shí)的數(shù)據(jù)小，從而可以看出，利用電流法來(lái)檢測(cè)刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)張力變化是完全可行的。

圖3 張力較大、較小時(shí)頻譜曲線

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對(duì)基于電流法的刮板輸送機(jī)鏈張緊系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，首先對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行布置，試驗(yàn)裝置根據(jù)其功能可分為信號(hào)采集部分和機(jī)械部分，其中機(jī)械部分選定JW09A0-4號(hào)電機(jī)，JZQ-200型減速器，張緊裝置選用張緊螺栓，通過(guò)螺栓的調(diào)節(jié)使得皮帶間的間距實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，從而得到張力的調(diào)整。信號(hào)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(cè)量范圍廣、動(dòng)態(tài)性能好、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)探頭選定為Fluke i1000s，探頭能夠消除系統(tǒng)雜音、噪聲等問(wèn)題，在不切斷線路的情況下進(jìn)行電流檢測(cè)。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(guò)USB接口與上位機(jī)等進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。信號(hào)的處理系統(tǒng)選定為matlab軟件，處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)異步電機(jī)的電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，生成頻譜圖，并對(duì)頻譜圖的峰值進(jìn)行識(shí)別，以此對(duì)比刮板輸送機(jī)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(yīng)的措施。

仿真試驗(yàn)為驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)觀察電機(jī)定子電流來(lái)確定扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率，測(cè)得數(shù)據(jù)后通過(guò)matlab將其進(jìn)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(dāng)張力的大小發(fā)生一定變化時(shí)，此時(shí)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(dòng)頻率也發(fā)生了變化，此時(shí)安裝的電流傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)電流發(fā)生的變化，及時(shí)進(jìn)行張緊力的調(diào)整，根據(jù)圖可以得出張力較大、較小時(shí)頻率與電流的關(guān)系。當(dāng)張力較大時(shí)，頻率48.8Hz時(shí)取到電流的最大值6306mA，當(dāng)張力較小時(shí)，頻率在48.4Hz時(shí)取到最大值7954mA，電流法可以較好的實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)張力的控制，及時(shí)定位故障，保障刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

（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(jī)轉(zhuǎn)子和負(fù)載扭轉(zhuǎn)模型和計(jì)算公式，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）對(duì)基于電流法刮板輸送機(jī)鏈張緊系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別對(duì)比了張緊力較小和較大時(shí)的電流曲線及頻譜圖。

（3）利用仿真研究對(duì)基于電流法張緊系統(tǒng)可行性進(jìn)行驗(yàn)證研究，發(fā)現(xiàn)電流法可以較好的實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)張力的控制，保障刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。