基于壓電振動俘能裝置的采煤機滾筒扭矩檢測系統(tǒng)

張　強　石抗抗　王海艦　井　旺

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新,1230002.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,1160233.四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，自貢,643000

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基于壓電振動俘能裝置的采煤機滾筒扭矩檢測系統(tǒng)

張強1,2,3石抗抗1王海艦1井旺1

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，阜新,1230002.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,1160233.四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，自貢,643000

為實現(xiàn)采煤機滾筒扭矩的實時精確檢測，提出了一種基于壓電振動俘能裝置自給供電的滾筒扭矩檢測系統(tǒng)。壓電振動俘能裝置將采煤機工作過程中Y、Z方向上產(chǎn)生的振動能量有效地轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)對檢測系統(tǒng)無線應(yīng)變采集模塊和銷軸傳感器的長期、穩(wěn)定供電，避免了電池更換需要反復(fù)拆卸的難題。現(xiàn)場實驗測試表明，扭矩檢測系統(tǒng)自供電性能穩(wěn)定，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機滾筒Y、Z方向上所受載荷的實時、精確檢測，從而準確推算出滾筒的扭矩，系統(tǒng)具有較高的檢驗精度和可靠性。

滾筒；壓電；扭矩檢測；銷軸傳感器；自供電

0　引言

滾筒采煤機是綜采工作面的主要采煤裝置，滾筒作為采煤機的核心部件，在采煤工作中起著至關(guān)重要的作用。滾筒采煤機在作業(yè)過程中，經(jīng)常遇到硬度不同的煤層或巖層，當(dāng)遇到的煤層或巖層硬度較高時，傳動系統(tǒng)因受到的外部載荷沖擊作用將處于嚴重超載工況，扭矩會突然增大，如不及時調(diào)整，極易造成滾筒的嚴重損壞，影響采煤機的正常工作，降低采煤機的工作壽命和可靠性，因此，實現(xiàn)采煤機滾筒的扭矩檢測對采煤機的長期安全、穩(wěn)定運行和可靠性具有重大意義。但由于綜采面作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)不易傳輸，很難直接測得高精度的滾筒扭矩，針對這一瓶頸問題，筆者提出了一種間接檢測滾筒扭矩的方法：首先利用銷軸傳感器檢測出搖臂中惰輪的受力，然后結(jié)合惰輪的受力情況和轉(zhuǎn)速來計算滾筒的扭矩。

近年來，針對滾筒扭矩的檢測問題，許多專家做了重要研究。蔡翰志[1]采用在機械傳動軸上安裝半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片全橋電路的方法設(shè)計了扭矩測量電路，有效解決了扭矩測量問題。朱春梅等[2]設(shè)計了一種基于單片機的回轉(zhuǎn)機械扭矩測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用應(yīng)變式扭矩傳感器實現(xiàn)了扭矩及軸向力的監(jiān)測。張德銀等[3]提出了一種新型智能的具有網(wǎng)絡(luò)通信接口的非接觸式扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，通過光電方法精密測量旋轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角從而獲得扭矩和轉(zhuǎn)速。

以上對滾筒扭矩的檢測比較偏重于理論研究且精確度較低、操作繁瑣。直接將檢測裝置安裝在滾筒內(nèi)不易操作，滾筒作業(yè)時振動劇烈，容易對檢測裝置造成一定的損傷，而且需要經(jīng)常更換電源。針對這一問題，筆者提出了一種基于壓電振動俘能裝置的滾筒扭矩在線檢測系統(tǒng)[4]，該裝置由壓電俘能裝置和信號采集裝置組成，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的自供電功能，保證了檢測系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定運行，為扭矩檢測提供了可靠、實時的數(shù)據(jù)，同時避免了經(jīng)常拆卸電源帶來的問題。

1　銷軸傳感器

如圖1所示，滾筒扭矩測試方法如下：通過對搖臂中三個惰輪中的惰輪軸的徑向力進行測量，結(jié)合6號惰輪軸的受力和轉(zhuǎn)速來計算出滾筒扭矩的大小，從而完成對滾筒的扭矩檢測。三個惰輪中6號惰輪最接近滾筒且不發(fā)生轉(zhuǎn)動，因此，選擇6號惰輪作為檢測對象。

圖1　滾筒扭矩測試示意圖

由于6號惰輪軸是固定不發(fā)生旋轉(zhuǎn)的，所以通過定制與6號惰輪軸外形一樣的銷軸傳感器來檢測其軸向力，其實物圖見圖2。筆者通過改進銷軸的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種適用于不同載荷的高精度的實心銷軸傳感器，并成功用于測試。

圖2　銷軸傳感器

在銷軸上開鍵槽型測試孔，測試孔側(cè)向開引線槽，在測試孔內(nèi)貼應(yīng)變片以獲取應(yīng)變值，通過定制的無線應(yīng)變采集模塊獲取銷軸的受力。鍵槽型測試孔的大小、位置以及引線槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)會影響銷軸傳感器的精度[5]，設(shè)計時需要滿足以下三個條件：①鍵槽位置能獲取銷軸最大的受力；②鍵槽大小能保證應(yīng)變片的精度；③鍵槽、引線槽的結(jié)構(gòu)不降低銷軸的整體強度。

2　測試應(yīng)變片的標定

在完成檢測之前，為了保證系統(tǒng)能夠正常運行，需要對安裝的銷軸應(yīng)變片進行力的標定，我們采用直接加載方法對應(yīng)變片進行標定。為了保證結(jié)果的準確性，要求應(yīng)變片的工作環(huán)境應(yīng)與現(xiàn)場一致。為了防止一次加載過大造成不必要的損失，我們決定采用逐級加載方法對應(yīng)變片進行標定，每次加載幅值不宜過大，取50 kN為宜。共進行6次加載，同一加載反復(fù)進行5次測試，取5次應(yīng)變量平均值。由于在X方向上不產(chǎn)生扭矩，所以只對Y、Z軸進行標定，最終得到Y(jié)、Z軸的標定數(shù)值如表1所示。

表1　銷軸傳感器測試標定數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1中的標定值，采用MATLAB軟件進行一次擬合，分別對Y軸、Z軸數(shù)據(jù)進行擬合，擬合公式如下：

FY=0.0965×10-6εY+0.8052

(1)

FZ=0.0999×10-6εZ-0.1100

(2)

式中，F(xiàn)Y、FZ、分別為Y、Z方向上的加載載荷值，kN；εY、εZ分別為Y、Z方向上的實際應(yīng)變值。

擬合曲線見圖3、圖4。

圖3　Y軸力標定一次擬合曲線圖4　Z軸力標定一次擬合曲線

3　檢測系統(tǒng)模型與測試原理

在采煤機工作過程中，采煤機搖臂起著支撐和調(diào)節(jié)滾筒高度的作用，采煤機滾筒上的載荷傳遞到搖臂上使其產(chǎn)生波動。在保證正常工作情況下，對搖臂進行改造并安裝檢測系統(tǒng)，安裝方法如圖5所示。在搖臂靠近電機側(cè)開空腔以安裝無線應(yīng)變采集模塊和壓電俘能裝置，并通過線纜將它們和銷軸傳感器連在一起。

1.無線采集模塊　2.銷軸傳感器　3.壓電俘能裝置圖5　惰性軸銷軸傳感器安裝示意圖

在搖臂靠近滾筒側(cè)開空腔以安裝固定俘能裝置，空腔空間尺寸為200 mm×150 mm×120 mm，搖臂兩側(cè)各一個。無線應(yīng)變采集模塊的安裝方式與俘能裝置的安裝類似：在搖臂靠近電機側(cè)開空腔安裝無線應(yīng)變采集模塊，空間尺寸為135 mm×100 mm×60 mm，每側(cè)搖臂一個；安裝模塊數(shù)量為每個空腔1臺；兩處空腔都用蓋板封閉，蓋板留有充電孔和引線槽，保證防水、無線通信、數(shù)據(jù)讀取。

檢測系統(tǒng)信號采集是通過無線應(yīng)變采集模塊來實現(xiàn)的，無線應(yīng)變采集模塊主要應(yīng)用于有線傳輸信號距離遠、受干擾嚴重、布線繁瑣等實驗現(xiàn)場的動態(tài)應(yīng)變測量，在實驗過程中實驗人員可以遠離實驗現(xiàn)場，保證了實驗的高效安全。銷軸傳感器將測試數(shù)據(jù)發(fā)送到無線應(yīng)變采集模塊，經(jīng)無線方式發(fā)送到數(shù)據(jù)采集終端，從而得到6號惰輪的受力情況。

俘能裝置的激勵采用慣性自由振動激勵方式：壓電振子與質(zhì)量塊構(gòu)成了質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，當(dāng)采煤機工作時，搖臂會受到載荷或者其他因素影響產(chǎn)生劇烈振動，質(zhì)量塊通過連接塊迫使壓電振子自由振動并產(chǎn)生變形，從而將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

壓電俘能裝置將振動能量轉(zhuǎn)換為電能，為無線采集模塊和銷軸傳感器提供穩(wěn)定電能，無線采集模塊將信號傳送到上位機信號采集系統(tǒng)，從而完成信號的采集和處理，實現(xiàn)對滾筒扭矩的檢測。檢測原理如圖6所示。

圖6　檢測原理圖

4　壓電俘能裝置結(jié)構(gòu)和原理

采煤機在工作中搖臂擺動比較劇烈，采用傳統(tǒng)電源供電比較困難，工藝繁瑣而且需要經(jīng)常拆換電源，不僅降低了檢測效率和準確性，同時對采煤機造成不同程度的損傷。因此，提出了一種基于壓電材料振動俘能的供電裝置，該裝置不僅解決了檢測系統(tǒng)不間斷檢測的供電問題，同時將機器自身振動轉(zhuǎn)化為電能，節(jié)約了成本，提高了檢測的準確性。

4.1壓電俘能裝置結(jié)構(gòu)和原理

圖7為壓電振動俘能裝置結(jié)構(gòu)圖[6]，主要有質(zhì)量塊m、承載彈簧、限位彈簧、連接塊、連接環(huán)、殼體和壓電振子(一個壓電振子由壓電應(yīng)變片和金屬基板組成)。承載彈簧起到保護作用，防止在正常情況下壓電振子因受質(zhì)量塊重力作用而損壞，同時避免壓電振子承受過大載荷。限位彈簧的作用是防止壓電振子變形量過大而受損。右側(cè)彈簧起緩沖作用，并能夠減小質(zhì)量塊重力作用的影響。

圖7　壓電振動俘能裝置

假設(shè)壓電俘能裝置中每個壓電振子獨立產(chǎn)生的電壓相同，為Vg。當(dāng)連接塊直徑遠小于壓電振子直徑時，可將壓電振子所受外載荷視為中心載荷P0，由此得單個壓電振子產(chǎn)生的開路電能及輸出功率分別為

(3)

(4)

壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表2所示。

4.2壓電俘能裝置特性及影響因素

為了獲得穩(wěn)定和充足的電量，需要對本裝置的特性及影響因素進行分析。經(jīng)分析，壓電裝置產(chǎn)生的電壓與壓電振子數(shù)量、質(zhì)量塊和振動頻率有關(guān)，同時，壓電振子之間的電連接方式對俘能裝置的輸出特性也會產(chǎn)生一定影響。

為了增強俘能裝置的發(fā)電能力，通常采用多個振子串聯(lián)或者并聯(lián)的壓電振子結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

表2　壓電振動俘能裝置參數(shù)

(a)串聯(lián)式

(b)并聯(lián)式圖8　壓電俘能裝置能量采集電路圖

圖8所示的壓電俘能裝置串并聯(lián)后的開路電壓分別為Vg,a=nVg、Vg,b=Vg，電容分別為Cf,a=Cf/n、Cf,b=nCf，n為鼓型壓電振子數(shù)量；下標a、b分別表示串聯(lián)、并聯(lián)。

根據(jù)式(3)、式(4)可求得壓電振子產(chǎn)生的電能及輸出功率：

(5)

(6)

(7)

由式(5)～式(7)看出，在開路狀態(tài)下俘能裝置中各壓電振子串并聯(lián)產(chǎn)生的電能相等,但當(dāng)俘能裝置與負載構(gòu)成回路時則輸出功率不同，且其他條件相同時每種連接方式均存在最佳的電阻負載使其功率最大，本文選擇壓電振子串聯(lián)的方式。

圖9所示為壓電俘能裝置系統(tǒng)的物理簡化模型[7]，由于壓電振子質(zhì)量相對于質(zhì)量塊很小，所以可以忽略不計。圖9中，c為系統(tǒng)阻尼，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，k1、k2分別為承載/限位彈簧的剛度，k3=kp/(2n)為串聯(lián)壓電振子的等效剛度，kp為一個壓電振子的等效剛度，x(t)、y(t)分別為質(zhì)量塊和外殼的絕對位移，z(t)為相對位移，則有

x(t)=y(t)+z(t)

(8)

y(t)=Y0sinωt

(9)

式中，Y0為振源的振幅。

(10)

圖9　壓電俘能裝置系統(tǒng)物理模型

將式(8)、式(9)代入式(10)得質(zhì)量塊的相對振幅為[8]

(11)

(12)

由式(12)可看出，增加壓電振子數(shù)量或集中質(zhì)量均可有效降低俘能裝置的諧振頻率，從而實現(xiàn)振動能量回收。據(jù)式(11)，λ=1時質(zhì)量塊振幅最大，即

(13)

由式(13)可以得出壓電振子數(shù)量及剛度確定時，適當(dāng)增加集中質(zhì)量可提高質(zhì)量塊振幅壓電[9]，從而提高俘能器的發(fā)電能力及輸出功率。

采煤機在工作過程中，由于受摩擦力等外部條件的影響，會產(chǎn)生劇烈振動，此時，搖臂內(nèi)的俘能裝置的質(zhì)量塊m受到振動的影響，施力于壓電振子，壓電振子表面因變形產(chǎn)生電壓。不考慮二極管壓降，當(dāng)產(chǎn)生的電壓|Vp|達到濾波電壓Vc時，二極管導(dǎo)通，電橋工作，回路中產(chǎn)生電流，此時機械能轉(zhuǎn)換為電能，為銷軸傳感器和無線采集模塊提供電能，并將剩余電能進行存儲，供電方式如圖10a所示；當(dāng)|Vp|小于Vc時，二極管不通，電橋不工作，此時，回路中沒有電流，電源釋放壓電裝置的電能對負載進行供電，如圖10b所示。如此循環(huán)，進行供電[10]。

(a)壓電供電　　　　　(b)電源供電圖10　供電原理圖

5　現(xiàn)場測試結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的準確性，以“國家能源部采掘裝備研發(fā)實驗中心測試系統(tǒng)”項目為例,實驗現(xiàn)場如圖11所示。搖臂兩側(cè)有封閉型空腔，空腔內(nèi)分別安置壓電俘能裝置與無線采集模塊。俘能裝置通過引線槽為銷軸傳感器和無線采集模塊提供電能。檢測系統(tǒng)已封閉安裝在搖臂內(nèi)。

圖11　國家能源部采掘裝備研發(fā)實驗現(xiàn)場

通過現(xiàn)場多次測試，當(dāng)俘能裝置輸出10 V以上的電壓時，其頻率寬帶為142.7～191.2 Hz，而在143.4～184 Hz內(nèi)輸出電壓能夠達到12.8 V，此時的輸出功率能達到203.2～230.1 mW，證明了壓電俘能裝置能夠?qū)崟r地為無線信號采集裝置和惰輪軸傳感器提供穩(wěn)定可靠的電能。同時得到了1～1000 s內(nèi)惰輪軸傳感器Y、Z軸方向上的載荷曲線，見圖12、圖13。根據(jù)圖12和圖13得到Y(jié)、Z方向上測試數(shù)據(jù)特征值，見表3。

圖12　惰輪軸傳感器Y方向載荷曲線

圖13　惰輪軸傳感器Z方向載荷曲線

根據(jù)Y方向數(shù)據(jù)擬合公式(式(1))，Y方向最大載荷為-3.98 kN；根據(jù)Z方向數(shù)據(jù)擬合公式(式(2))，Z方向最大載荷為7.84 kN。此處零位為0.0001，故可忽略不計。通過Y、Z軸方向上的載荷情況能夠有效地檢測出滾筒扭矩。

表3　測試數(shù)據(jù)特征值

6　結(jié)論

考慮到滾筒工作時所受載荷情況，設(shè)計了一種基于壓電振動俘能裝置的滾筒扭矩檢測系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的檢測原理和壓電俘能裝置結(jié)構(gòu)進行了分析并進行了現(xiàn)場測試，得到以下結(jié)論：①通過銷軸傳感器檢測6號惰輪受力情況，能夠有效地計算出滾筒扭矩，保證了測試數(shù)據(jù)的可靠性和準確性；②建立了俘能裝置的物理和數(shù)學(xué)模型，對其結(jié)構(gòu)和性能進行了分析，并詳細說明了其供電原理，保證了理論上的可實施性；③通過現(xiàn)場測試得出，俘能裝置可為檢測系統(tǒng)提供穩(wěn)定充足的電能，有效測出6號惰輪軸Y、Z方向上的最大載荷分別為-3.98kN、7.84kN，有效地測出了滾筒扭矩。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Shearer Roller Torque Detection System Based on Piezoelectric Vibration Energy Harvesting Device

Zhang Qiang1,2,3Shi Kangkang1Wang Haijian1Jing Wang1

1.Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin,Liaoning,123000 2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian,Liaoning,116023 3.Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Sichuan University of Science & Engineering，Zigong,Sichuan,643000

In order to achieve real-time shearer roller torque detection precision, this paper proposed a self-powered detection system based on piezoelectric vibration energy harvesting device. The vibration energy produced by the shearer in the working processes ofYandZdirections would be converted into electrical energy effectively, which ensured the long-term effectiveness working of the pin shaft sensor and wireless strain collection moduler and avoided the problems of power-supply module which needed replacement and repeated disassembly. The results of the experiments show that the self-powered performance of testing system is stable, the load of the shearer roller in theYandZdirections may be detected precisely in real time, the roller torques are calculated, and indicates that the system has higher accuracy and reliability.

roller; piezoelectric; torque detection; pin axis sensor;self-powered

2015-12-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51504121)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20132121120011)；工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室開放基金資助項目(GZ1402)；材料腐蝕與防護四川省重點實驗室開放基金資助項目(2014CL18)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計劃資助項目(LJQ2014036)；遼寧省“百千萬人才工程”培養(yǎng)經(jīng)費資助項目(2014921070)

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.016

張強，男，1980年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師，工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室訪問學(xué)者，材料腐蝕與防護四川省重點實驗室訪問學(xué)者。主要研究方向為礦山機械動態(tài)設(shè)計及監(jiān)測技術(shù)。出版專著5部，發(fā)表論文60余篇。石抗抗，男，1990年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。王海艦，男，1987年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生。井旺，男，1990年生。遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。

中國分類號：TH39