基于壓電振動俘能的自供電刮板輸送機張力檢測系統(tǒng)*

張　強，王海艦，毛　君，張東升，袁　智

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧阜新123000；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，大連116023；3.中國煤礦機械裝備有限責(zé)任公司，北京100011；4.四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川自貢643000）

基于壓電振動俘能的自供電刮板輸送機張力檢測系統(tǒng)*

張強1，2，4*，王海艦1，毛君1，張東升1，袁智3

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧阜新123000；2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，大連116023；3.中國煤礦機械裝備有限責(zé)任公司，北京100011；4.四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川自貢643000）

為實現(xiàn)對刮板輸送機運行過程中鏈條張力的有效檢測，克服供電模塊需要定期拆卸更換的難題，提出了一種基于壓電振動俘能自供電的刮板輸送機張力檢測系統(tǒng)。通過采集刮板運行過程中產(chǎn)生的振動能量實現(xiàn)電能的有效轉(zhuǎn)換，保證張力檢測裝置和無線信號發(fā)射裝置長期有效工作。通過系統(tǒng)多個周期張力檢測實驗結(jié)果表明，檢測系統(tǒng)自供電性能穩(wěn)定；截取103 s的單周期進行分析，刮板經(jīng)過鏈輪時的最大張力峰值為274.2 kN，通過計算兩端部嚙合點張力的差值得到下邊鏈的運行阻力為12 kN，測試結(jié)果符合現(xiàn)場實際工況，表明系統(tǒng)具有較高的檢測精度及可靠性。

傳感器應(yīng)用；張力檢測；壓電；刮板輸送機；振動；自供電

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.012

刮板輸送機是綜采工作面主要的動力運輸裝置［1］，刮板鏈作為刮板輸送機的核心部件，對刮板輸送機的工作性能具有至關(guān)重要的影響。刮板鏈張力過大或過小都會對刮板輸送機的安全穩(wěn)定運行造成不利影響。刮板鏈自身具有一定的彈性和粘性，在運行過程中，刮板要克服很大的摩擦阻力，長時間的重載荷工作會導(dǎo)致刮板鏈產(chǎn)生彈性伸長，降低整個刮板輸送機系統(tǒng)的張緊力，容易造成卡鏈、斷鏈以及跳鏈等事故［2-3］；而張力過大則會增大刮板輸送機自身運行的阻力，增大自身的功耗，因此，對刮板輸送機運行過程中刮板鏈的張力進行實時檢測，為技術(shù)人員進行維護保養(yǎng)提供可靠的檢測數(shù)據(jù)，對保證刮板輸送機的長期安全穩(wěn)定運行和延長使用壽命具有重大意義。

近年來，針對刮板輸送機刮板鏈的張力問題，許多專家學(xué)者展開了深入的研究。許兆棠［4］根據(jù)刮板鏈張力與強度的關(guān)系，采用理論計算方法近似計算出繞出驅(qū)動鏈輪處刮板鏈的張力值。毛君、李惟康等［5-7］綜合考慮鏈條的非線性、輸送機中部槽的彈性和間隙、鏈輪與鏈條嚙合特性等多個因素構(gòu)建刮板輸送機的動力學(xué)模型，得到不同工況下的鏈條張力分布，設(shè)計了一種刮板輸送機鏈條張力的自動控制系統(tǒng)。龔尚福［8］提出了一種基于滑模控制的刮板輸送機鏈條張力控制方法，改善了張力控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。以上對刮板鏈張力的研究普遍側(cè)重于理論計算與控制調(diào)節(jié)方面，并沒有實現(xiàn)對刮板鏈的實時動態(tài)張力進行檢測。

針對這一瓶頸問題，提出了一種基于壓電振動俘能自供電的刮板鏈張力實時在線檢測系統(tǒng)。通過對銜接處的刮板和圓環(huán)鏈進行改造處理，采用微應(yīng)變檢測原理實現(xiàn)對刮板鏈運行過程中張力變化的實時檢測，同時在刮板內(nèi)部放置壓電俘能裝置［9］和無線信號發(fā)射裝置，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的自供電以及檢測信號的無線收發(fā)，保證檢測系統(tǒng)的長期連續(xù)作業(yè)運行，避免由于更換供電模塊需要頻繁拆卸刮板而導(dǎo)致傳感器等精密件損壞的問題。

1　檢測系統(tǒng)模型與測試標(biāo)定

1.1張力檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

刮板輸送機的作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，因此張力檢測系統(tǒng)的設(shè)計與安裝要綜合考慮各方面因素，筆者在保證刮板和鏈環(huán)載荷強度的基礎(chǔ)上，在兩者結(jié)合處改造和安裝張力檢測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和安裝方法如圖1所示。將刮板上端部和下端部分別進行布線開孔和開槽結(jié)構(gòu)改造，上端部線槽用于安裝供電和通訊線纜，下端部開槽主要用于安裝壓電俘能裝置和無線信號發(fā)射裝置，將與刮板嚙合的兩鏈環(huán)外側(cè)銑平后粘貼應(yīng)變片，并做保護處理，使刮板與鏈環(huán)準(zhǔn)確嚙合，保證刮板輸送機張力檢測的精度。

圖1　張力檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及安裝方法

刮板輸送機在工作過程中其刮板受載荷或摩擦影響會產(chǎn)生較為劇烈的連續(xù)振動，壓電俘能裝置受到振動激勵產(chǎn)生電能，為張力檢測應(yīng)變片和無線信號發(fā)射裝置提供電能，應(yīng)變片通過無線信號收發(fā)裝置將檢測到的實時張力變化遠傳給上位機張力信號采集系統(tǒng)，完成信號的后期分析和處理，實現(xiàn)對刮板輸送機實時運行張力的監(jiān)測，其張力檢測原理如圖2所示。

圖2　刮板輸送機張力檢測原理

1.2系統(tǒng)張力標(biāo)定

為了保證刮板輸送機張力檢測的精度，在張力檢測傳感器安裝之前需要進行張力標(biāo)定［10-11］。由于檢測系統(tǒng)主要針對刮板鏈的張力檢測而不是確定各點的應(yīng)力分布情況，因此，采用直接標(biāo)定法對張力檢測系統(tǒng)進行標(biāo)定。為了最大程度的保證標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，刮板、鏈環(huán)以及傳感器的安裝和受力位置要與其實際工況保持一致，每次加載值的增幅不要過大，取100 kN為宜。標(biāo)定時加載值應(yīng)按照升序或降序有序加載，同一加載值條件下應(yīng)進行多次測試，取其應(yīng)變量的平均值。得到的張力傳感器標(biāo)定數(shù)值如表1所示。

表1　鏈環(huán)張力傳感器標(biāo)定數(shù)值

根據(jù)表1鏈環(huán)張力傳感器標(biāo)定數(shù)值，采用Maltab編程求解方法得到刮板鏈張力的二次擬合公式為:

F1=-1.84e-5×ch12+0.285×ch1-260.3（1）

式中:ch1為實際測試的張力微應(yīng)變值，單位為με，F(xiàn)1為實際檢測的張力值，單位為kN。

刮板鏈張力標(biāo)定的二次擬合曲線如圖3所示。

圖3　刮板鏈張力標(biāo)定二次擬合曲線

2　壓電振動俘能器

由于張力檢測傳感器和無線信號發(fā)射模塊安裝在刮板和鏈環(huán)中，在刮板輸送機作業(yè)過程中隨刮板和鏈環(huán)連續(xù)旋轉(zhuǎn)移動，因此無法采用線纜實現(xiàn)長期供電。張力的檢測需要長期不間斷的連續(xù)檢測，如果采用電源模塊進行供電，需要經(jīng)常拆卸刮板進行電源模塊的更換，不但操作起來工序復(fù)雜，而且反復(fù)的拆卸容易造成張力傳感器和無線信號發(fā)射模塊等精密件的損壞和檢測精度的降低，鑒于以上問題，采用了一種基于壓電振動俘能的自供電方法，實現(xiàn)張力傳感器和無線信號發(fā)射裝置的長期、穩(wěn)定供電。

2.1壓電振動俘能結(jié)構(gòu)及原理

張力檢測系統(tǒng)中的主要能耗裝置為應(yīng)變片及無線信號發(fā)射裝置，考慮到刮板開槽的垂直空間高度尺寸較小，水平空間尺寸相對寬松，因此采用多振子水平排列并聯(lián)方式構(gòu)建壓電俘能系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　多振子水平排列并聯(lián)壓電振動俘能器結(jié)構(gòu)圖

壓電振動俘能器主要由質(zhì)量塊M、支撐彈簧、施力桿、限位彈簧、封裝外殼以及由壓電瓷片、基板以及連接卡組成的多個壓電振子組成［12］。施力桿作用于壓電瓷片的中心位置，其直徑遠小于壓電瓷片的直徑，因此施力桿施加在壓電瓷片上的載荷可視為中心載荷。支撐彈簧用于保證壓電振子在非工作狀態(tài)下不受質(zhì)量塊M的作用以及限制工作狀態(tài)下壓電振子所受的載荷強度。限位彈簧的作用有兩個，一是在質(zhì)量塊M振動過程中限制壓電振子的形變量；二是在刮板運行過程中，當(dāng)壓電俘能器處于倒置狀態(tài)時，支撐施力桿來克服質(zhì)量塊M所受的重力影響，避免換向過程中對壓電振子產(chǎn)生較大沖擊導(dǎo)致壓電瓷片損壞。壓電振動俘能器的結(jié)構(gòu)尺寸及工作參數(shù)如表2所示。

表2　壓電振動俘能器結(jié)構(gòu)尺寸及工作參數(shù)

刮板輸送機在運行工作過程中，刮板會產(chǎn)生較大的振動，質(zhì)量塊M受刮板垂直振動的激勵而產(chǎn)生上下往復(fù)運動，通過施力桿對多個壓電振子施加拉壓力，使壓電振子產(chǎn)生彈性形變，在此過程中能量由機械能轉(zhuǎn)換為電能［13-15］。

2.2壓電性能分析

獲取高效電能和保證供電的持續(xù)性與穩(wěn)定性是壓電振動俘能器的重要性能指標(biāo)［16-18］，圖5為多振子并聯(lián)壓電振動俘能器系統(tǒng)的能量收集電路圖，以多壓電振子并聯(lián)振動能量采集系統(tǒng)與整流橋、濾波電容以及蓄電池構(gòu)成交流-直流的電能收集與存儲系統(tǒng)。

圖5　多振子并聯(lián)壓電振動俘能器能量收集電路圖

刮板輸送機在運行過程中，刮板在不同位置的振動幅度是不同的，圖6為刮板在不同運行位置的振動加速度微應(yīng)變特性曲線。

圖6　刮板不同運行位置振動加速度微應(yīng)變曲線

由圖6測試曲線可以看出，刮板在上、下端部水平運行過程中，由于受摩擦阻力等條件影響，運行過程中會產(chǎn)生較大振動，此時，刮板內(nèi)部壓電俘能器的質(zhì)量塊M受刮板振動影響，施力于多個壓電振子，產(chǎn)生較大的電能，通過整流電路轉(zhuǎn)換后對張力應(yīng)變片和無線信號發(fā)射裝置進行供電，并將部分電能通過蓄電池進行存儲，其供電方式如圖7（a）所示；當(dāng)刮板經(jīng)過兩端的鏈輪時，刮板與鏈輪充分嚙合，并受到張緊力的作用，刮板的振動很小，趨近于0，此時蓄電池釋放存儲的壓電振動能量對負載進行供電，如圖7（b）所示。

圖7　刮板不同位置狀態(tài)的供電方式

通過實驗測試得到多振子水平排列并聯(lián)壓電振動俘能器最佳工作頻率為92 Hz，振動幅度為66.8 nm。圖8為刮板運行過程中不同位置的負載功率隨時間的變化曲線，根據(jù)圖8可以看出，系統(tǒng)負載總功率為0.346 W，負載功率在壓電供電與蓄電池供電切換（即刮板過鏈輪）過程中，過渡平穩(wěn)，無震蕩現(xiàn)象，在19 s和72 s處出現(xiàn)負載功率微降，是由于蓄電池充電導(dǎo)致微小分流，但并不影響應(yīng)變片和無線信號發(fā)射裝置的工作性能，壓電俘能系統(tǒng)的供電性能穩(wěn)定，可靠性較高。

圖8　外接負載功率—時間變化曲線

3　現(xiàn)場實驗測試

為校驗張力檢測系統(tǒng)的檢驗精度與可靠性，以張家口國家能源采掘裝備研發(fā)實驗中心為平臺，采用現(xiàn)場實測分析方法對系統(tǒng)性能進行測試?，F(xiàn)場采用SGZ1000/1710型中雙鏈刮板輸送機，裝機功率為2×855 kW，實驗鋪設(shè)輸送距離為80 m，空載刮板鏈速為1.58 m/s，空載運行一周時間為103 s，整機為水平鋪設(shè)，無安裝傾角，刮板鏈張力檢測系統(tǒng)實際安裝與測試方法如圖9所示，在刮板兩側(cè)改裝有與刮板相同載荷強度的剛性封閉腔體，分別內(nèi)置兩個壓電振動能量采集模塊和兩個無線信號發(fā)射裝置，兩個壓電振動能量采集模塊同時工作實現(xiàn)能量的采集，而無線信號發(fā)射裝置為一主一備的冗余設(shè)計。壓電俘能器通過刮板內(nèi)部線槽實現(xiàn)對應(yīng)變片與無線信號發(fā)射裝置的電源供應(yīng)，在液壓支架上等距分布無線信號接收模塊，系統(tǒng)將測試數(shù)據(jù)通過無線信號發(fā)射、接收模塊以及以太環(huán)網(wǎng)傳至上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理系統(tǒng)。

圖9　現(xiàn)場實際安裝與張力測試

通過現(xiàn)場實測，多振子水平排列并聯(lián)壓電振動俘能器供電性能穩(wěn)定、可靠，供電輸出功率滿足張力測試傳感器及無線信號發(fā)射模塊的需求，得到的刮板張力微應(yīng)變上位機實時監(jiān)測曲線如圖10所示，整體曲線中，每一個大幅度張力突變?yōu)橐淮喂伟暹^鏈輪，時間間隔約為51.5 s左右，則通過張力突變檢測到的刮板運行一周的時間約為103 s，測試結(jié)果符合刮板的空載運行速度，根據(jù)圖10得到刮板輸送機張力應(yīng)變的各項特征值如表3所示。

圖10　時間與微應(yīng)變關(guān)系曲線

表3　刮板輸送機張力應(yīng)變特征值

截取刮板輸送機運行的190 s到310 s時間段的一個循環(huán)周期進行細化分析，如圖11所示，圖中各標(biāo)識點分別為刮板運行一個周期內(nèi)兩端鏈輪嚙入、嚙出點以及峰值張力的微應(yīng)變值，各點的微應(yīng)變值以及通過標(biāo)定張力二次擬合公式計算得到的實際張力值分別如表4所示。

圖11　一個循環(huán)周期應(yīng)變曲線測試數(shù)據(jù)

張力應(yīng)變曲線分析:No.1點為208 s時刻刮板鏈張力傳感器在機頭部鏈輪下端的嚙出點位置，檢測到的張力為113 kN，No.2點為刮板在機尾鏈輪的嚙入點，張力值為125 kN，兩者差值為刮板輸送機空載時，下端鏈的運行阻力，運行阻力值為12 kN；NO.5、6、8點為張力傳感器過鏈輪時的瞬間峰值點，對應(yīng)的張力分別為274.2 kN，236.6 kN和210.6 kN。

表4　各標(biāo)識點應(yīng)變和張力值

4　結(jié)論

考慮刮板輸送機的實際運行工況，構(gòu)建了基于壓電振動俘能自供電的刮板鏈張力檢測系統(tǒng)，對壓電俘能器的供電性能及張力檢測的結(jié)果進行了分析，得到以下幾點結(jié)論:①通過對刮板與鏈環(huán)改造安裝張力檢測系統(tǒng)實現(xiàn)刮板鏈的張力實時檢測，解決了移動裝置信號不宜提取的難題，簡化數(shù)據(jù)采集層的結(jié)構(gòu)模式，采用張力標(biāo)定方法得到張力應(yīng)變片的二次擬合曲線，保證檢測結(jié)果的精確性與可靠性；②分析了刮板在不同工作位置的振動特性，采用多振子水平并列式壓電振動俘能器實現(xiàn)對張力應(yīng)變片及無線信號發(fā)射裝置的供電，得到系統(tǒng)負載的實時功率，證明壓電俘能系統(tǒng)供電性能穩(wěn)定，可靠性較高；③張力檢測實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r動態(tài)反饋刮板輸送機的張力變化，通過張力檢測曲線得到刮板輸送機運行一個周期的時間為103 s，運行過程中下端鏈運行阻力位12 kN，最大瞬時張力峰值為274.2 kN，測試結(jié)果符合現(xiàn)場實際工況，為研究刮板輸送機的張緊力及運行阻力等問題提供重要的理論和數(shù)值依據(jù)。

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張強（1980-），男，遼寧岫巖人，教授，博士，博士后，博士生導(dǎo)師，遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，主要研究領(lǐng)域為礦山機械動態(tài)設(shè)計及監(jiān)測技術(shù)，lgdjx042@126.com；

王海艦（1987-），男，遼寧鐵嶺人，遼寧工程技術(shù)大學(xué)博士研究生，主要研究方向為機械設(shè)計與智能控制，qingseyuji2010@163.com。

Self-Powered Tension Testing System for Scraper Conveyor Based on Piezoelectric Vibration Energy Harvested*

ZHANG Qiang1，2，4*，WANG Haijian1，MAO Jun1，ZHANG Dongsheng1，YUAN Zhi3
（1.College of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin Liaoning 123000，China；2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116023，China；3.China national coal mining equipment co.，LTD.，Beijing 100011，China；4.Sichuan University of Science&Engineering，Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Zigong Sichuan 643000，China）

In order to realize the effective detection for the chain tension of scraper conveyor in the process of running，and overcome the problem of power-supply module which needs regular disassembly and replacement，propose a kind of self-powered tension testing system for scraper conveyor based on piezoelectric vibration energy harvested.realize the effective conversion of electrical energy by collecting the vibration energy produced in the running process of scraper，ensure the long-term effectiveness working of tension detection device and wireless signal launcher.Through multiple cycles tension detection of system，the experiments show that，the self-powered performance of testing system is stable；intercept 103 s for the analysis of single cycle，the maximum tension peak value is 274.2 kN during the scraper running through the sprocket，the running resistance of lower chain is 12 kN which is got by computing the meshing point tension difference of both ends，the testing results fit the actual working condition，it shows that the system has higher test accuracy and reliability.

sensor application；tension test；piezoelectric；scraper conveyor；vibration；self-powered

TH122

A

1004-1699（2015）09-1335-06

項目來源:教育部博士點基金（20132121120011）；工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析重點實驗室開放基金（GZ1402）；材料腐蝕與防護四川省重點實驗室開放基金（2014CL18）；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計劃項目（LJQ2014036）；遼寧“百千萬人才工程”培養(yǎng)經(jīng)費資助（2014921070）；中煤集團重點科技項目（13-8）

2015-04-16修改日期:2015-06-25