礦用刮板機(jī)自供電鏈張力檢測(cè)系統(tǒng)的研究

張 雷，梁義維，王旭平，白崟儒

(1太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024；2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 引言

刮板輸送機(jī)是煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，隨著煤礦機(jī)械化程度提高和煤炭生產(chǎn)高效發(fā)展，對(duì)刮板輸送機(jī)的使用要求也越來(lái)越高，且刮板輸送機(jī)的正常運(yùn)行是采煤過(guò)程連續(xù)高效的重要保障[1-3]。

刮板鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)運(yùn)輸物料的直接施力構(gòu)件，鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)距離長(zhǎng)，在特定張力下長(zhǎng)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，受惡劣復(fù)雜的工況環(huán)境(如潮濕、腐蝕、疲勞、重物沖擊等)影響，有必要開(kāi)發(fā)鏈條張力檢測(cè)系統(tǒng)，保障刮板機(jī)安全運(yùn)行。該系統(tǒng)首先可以鏈條斷單鏈報(bào)警，避免斷雙鏈故障，降低故障損失；其次可以通過(guò)雙鏈條張力分布狀態(tài)評(píng)估刮板機(jī)調(diào)直質(zhì)量；最后可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)張力，進(jìn)行疲勞分析與鏈條壽命預(yù)測(cè)[4-7]。

目前，礦用刮板機(jī)鏈張力檢測(cè)系統(tǒng)一般采用電池供電，需要定期更換，沒(méi)有長(zhǎng)期續(xù)航能力[8-9]。張強(qiáng)提出了質(zhì)量塊-彈簧-壓電瓷片的結(jié)構(gòu)，將刮板運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，在質(zhì)量塊受到振動(dòng)產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使壓電瓷片產(chǎn)生彈性形變繼而轉(zhuǎn)換能量[10-11]。在刮板機(jī)鏈張力檢測(cè)系統(tǒng)供電裝置中，振動(dòng)發(fā)電的功率不足以滿足功能較多的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)合刮板機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境，考慮刮板是運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，本文提出了以永磁直線發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)的張力檢測(cè)系統(tǒng)，將刮板運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能作為發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)化為電能，為檢測(cè)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作提供電源。

1 系統(tǒng)的組成

張力檢測(cè)系統(tǒng)主要由4部分組成，如圖1所示，張力檢測(cè)應(yīng)變片進(jìn)行2條鏈張力數(shù)據(jù)的采集，由單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送端將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端，由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，永磁直線發(fā)電機(jī)自供電裝置為整個(gè)系統(tǒng)提供能量。

張力檢測(cè)采集應(yīng)變片使用350 Ω電阻式應(yīng)變片，采用半橋接法。最后在電液伺服拉力機(jī)上進(jìn)行張力標(biāo)定。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)使用高性能、低功耗的STM32芯片，在檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，由單片機(jī)控制應(yīng)變片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣間隔為6 s。應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)AD620的放大，由單片機(jī)進(jìn)行精度為12位的A/D轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行存儲(chǔ)，單片機(jī)樣機(jī)見(jiàn)圖2。

鏈張力檢測(cè)系統(tǒng)的主要耗電模塊為單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集裝置及無(wú)線發(fā)送裝置。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的系統(tǒng)功耗如表1所示。由表1可計(jì)算張力檢測(cè)系統(tǒng)的平均功耗為60 mW左右。

表1 系統(tǒng)功耗

無(wú)線收發(fā)裝置采用射頻通訊方式，在井下煤泥水的環(huán)境下，頻率越高的信號(hào)衰減越快，尤其是水的影響最大，導(dǎo)致頻率高的信號(hào)無(wú)法穿透[12]。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，433 MHz的射頻信號(hào)在純水環(huán)境下的最大傳輸距離為0.8 m。煤水傳輸試驗(yàn)中，煤∶矸石∶水質(zhì)量比按1：1：1，射頻信號(hào)的最大傳輸距離為0.8 m，完全滿足信號(hào)傳輸?shù)囊?。?shí)驗(yàn)如圖3所示。無(wú)線傳輸裝置采用CC1101芯片，信號(hào)頻率為433 MHz。

無(wú)線接收裝置分別安裝在機(jī)頭、機(jī)尾及中部位置，相鄰2個(gè)接收裝置的距離為100 m左右。

自供電裝置的設(shè)計(jì)基于永磁直線發(fā)電機(jī)，將動(dòng)子及電源電路安裝在刮板槽內(nèi)，定子安裝在中板上。發(fā)電機(jī)將刮板的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)到電池中，為單片機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線發(fā)送裝置持續(xù)提供能量。

系統(tǒng)的安裝方法如圖4所示，刮板位于刮板輸送機(jī)的中部槽內(nèi)，自供電裝置位于一側(cè)刮板槽內(nèi)，單片機(jī)及無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置位于另一側(cè)刮板槽內(nèi)。應(yīng)變片貼于圓環(huán)鏈的平環(huán)上，由于刮板的保護(hù)，并不會(huì)受到太大的磨損，無(wú)線數(shù)據(jù)接收端位于張力檢測(cè)系統(tǒng)的電源線通過(guò)下壓板的線槽與單片機(jī)相接，張力檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線通過(guò)刮板的線槽與單片機(jī)相接。

2 自供電裝置的基本結(jié)構(gòu)

2.1 電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，動(dòng)子鐵芯為U型，繞組分別纏繞在U型鐵芯的臂上，鐵芯的下部齒形結(jié)構(gòu)可以增大與氣隙的接觸面積。定子由3部分組成，最上方是為了防止永磁體磨損的上背鐵，中間為相鄰磁極相反的永磁體，最下方為一塊整體的下背鐵。動(dòng)子鐵芯和背板使用硅鋼片材料，具有導(dǎo)磁率高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、磁性穩(wěn)定的特點(diǎn)；永磁體使用NdFe50，具有高剩磁、矯頑力大的特點(diǎn)。

圖5中該直線發(fā)電機(jī)的動(dòng)子鑲嵌到刮板之中，跟隨刮板機(jī)做循環(huán)往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，定子固定在中板之中，當(dāng)動(dòng)子鐵芯每一次經(jīng)過(guò)，都會(huì)有一次發(fā)電過(guò)程。

刮板機(jī)的中部槽是與刮板的直接接觸摩擦的構(gòu)件，且受到了煤及刮板的壓力，電機(jī)的定子會(huì)削弱中板的強(qiáng)度，所以長(zhǎng)度及厚度有較大的限制。電機(jī)的參數(shù)如表2所示。

表2 永磁直線發(fā)電機(jī)參數(shù)

2.2 電源諧振整流電路的設(shè)計(jì)

為了盡可能地利用能量，對(duì)諧振整流電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

電源諧振整流電路如圖6所示，發(fā)電機(jī)的繞組可以等效為電壓源、內(nèi)阻、電感的串聯(lián)，而利用RLC電路的諧振效果，可以將電壓進(jìn)行“放大”，將電能更有效的利用。自供電裝置所產(chǎn)生的交流電經(jīng)過(guò)整流，暫時(shí)存儲(chǔ)在整流橋后配置的一個(gè)大電容中，后將該電容中的能量傳輸?shù)叫铍姵刂?，為整個(gè)系統(tǒng)提供能量。

根據(jù)LRC串聯(lián)電路，其諧振頻率f為

(2)

其諧振頻率與L和C有關(guān)，所以電容C1的值為

(3)

而C2容值需要優(yōu)化尋找，依據(jù)電容的能量公式有：

(4)

在電壓源為50 V時(shí)，優(yōu)化電容C2的值，如表3所示。

表3 不同電容下的電容電壓

3 自供電裝置的性能分析

在求解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，可以根據(jù)繞組內(nèi)的磁鏈變化反映感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。磁鏈Ψ與感應(yīng)電勢(shì)e及速度v的關(guān)系為

(1)

式中：x為位移；t為時(shí)間。

在求解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以用二維電磁場(chǎng)分析來(lái)求解。將電機(jī)沿軸向剖開(kāi)。模型的邊界施加磁力線邊界條件。對(duì)該模型進(jìn)行求解計(jì)算，就可以求出此位置時(shí)通過(guò)一個(gè)動(dòng)子齒的磁通φi，則此位置時(shí)一個(gè)動(dòng)子齒的磁鏈為ψi=Nφi，其中N為繞組匝數(shù)。改變動(dòng)子的位置，使之位移Δs，就可以求出不同動(dòng)子位置時(shí)通過(guò)一個(gè)永磁極的磁通變化情況[13-14]。

在有限元軟件Maxwell內(nèi)建立電機(jī)的模型，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，模型如圖7所示。

由于刮板在中板上運(yùn)動(dòng)，在工作情況下，中部槽會(huì)有大量的煤、泥和水等物質(zhì)，對(duì)氣隙產(chǎn)生一定的影響。

從圖8可以看出，隨著氣隙增大，電機(jī)的空載電勢(shì)逐步減小，氣隙接近0時(shí)的電勢(shì)幅值為125 V，10 mm氣隙的電勢(shì)幅值為32.5 V，空載電勢(shì)的波形隨著氣隙的增加，波形更加接近正弦波。在氣隙接近0時(shí)，空載電勢(shì)的波形是梯形的，電勢(shì)處在峰值的時(shí)間較短且抖動(dòng)比較大。而在氣隙為10 mm時(shí)，電勢(shì)的波形接近于正弦波。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上文的設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)永磁直線發(fā)電機(jī)，定子長(zhǎng)度為520 mm，寬度為150 mm，永磁體數(shù)為15。電機(jī)的測(cè)試裝置圖如圖9所示，對(duì)該直線發(fā)電機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試。

首先測(cè)試發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)，在不連接電源電路的情況下，直接給動(dòng)子1.5 m/s的恒定速度，并調(diào)整氣隙，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖10所示，樣機(jī)在5 mm氣隙下的空載電勢(shì)為51 V左右，仿真的空載電勢(shì)幅值為55 V。而且在5 mm以內(nèi)仿真與實(shí)驗(yàn)的誤差較小，但當(dāng)氣隙在7 mm及10 mm時(shí)，仿真與實(shí)驗(yàn)的誤差較大，這是由于加工的樣機(jī)在氣隙較大時(shí)漏磁比較嚴(yán)重。由波形圖可以看出波形比較穩(wěn)定，總體來(lái)說(shuō)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果基本達(dá)到了設(shè)計(jì)結(jié)果。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出氣隙在5 mm以內(nèi)時(shí)效果可以達(dá)到要求，而且氣隙分在5 mm以上的概率也比較低。

加載上電源電路之后，步驟與空載電勢(shì)實(shí)驗(yàn)步驟一致，測(cè)試電容是否能達(dá)到諧振后放大的效果。測(cè)量整流橋后電容C2的電壓值。由圖11可得，在發(fā)電機(jī)工作的時(shí)間內(nèi)，電容C2的電壓逐步上升，直至到發(fā)電完成后充電也完成。實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)可見(jiàn)表4。

氣隙/mm仿真空載電勢(shì)/V實(shí)驗(yàn)空載電勢(shì)/V實(shí)驗(yàn)C2電壓/V111010850137874360555512487422511510321572

4.2 功率分析

在刮板機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，煤、石塊等物體會(huì)影響電機(jī)的氣隙穩(wěn)定。電機(jī)的氣隙并不會(huì)按照設(shè)計(jì)的保持不變，而是按照一定的規(guī)律在變化。由于電機(jī)的長(zhǎng)度較短，工作時(shí)間較短，氣隙的變化會(huì)影響到電機(jī)的功率。

由于刮板的質(zhì)量較大，一般來(lái)說(shuō)刮板和中板的氣隙在0～1 mm之間，煤會(huì)在刮板的碾壓下碎成粉末，對(duì)氣隙的影響有限。而小石塊及其他則會(huì)使氣隙增加。由測(cè)得的刮板與中板的氣隙的分布近似服從均值為0，方差為1.5，截?cái)嗾龖B(tài)分布，其概率密度[15]為

(6)

其中，x單位為mm,設(shè)其概率分布函數(shù)為F(x)。

將區(qū)間(0,a)分為n個(gè)子區(qū)間，在第i個(gè)區(qū)間(Li,Ri)中，氣隙的平均功率為Pi，氣隙在第i個(gè)區(qū)間內(nèi)的概率為

(7)

則功率的期望為

(8)

在刮板機(jī)上布置2個(gè)發(fā)電裝置，將能量均攤到刮板機(jī)整個(gè)工作周期T(400 s)上算出其功率為

(9)

式中m為發(fā)電裝置數(shù)量。

根據(jù)表4，式(8)及式(9)，可以計(jì)算得出直線電機(jī)功率的期望值為546 mW。說(shuō)明發(fā)電機(jī)可以滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，并且還可以適當(dāng)增加其他用電模塊。

5 結(jié)論

本文針對(duì)刮板機(jī)鏈張力檢測(cè)系統(tǒng)的續(xù)航能力問(wèn)題，提出了自供電鏈張力檢測(cè)系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及安裝方案。并使用永磁直線發(fā)電機(jī)作為系統(tǒng)的自供電裝置，在有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)動(dòng)子結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件進(jìn)行了仿真分析；并且制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：

(1)在0～5 mm氣隙下自供電裝置平均功率為546 mW，而鏈張力檢測(cè)系統(tǒng)的平均功耗為60 mW，自供電裝置完全可以滿足系統(tǒng)需求。

(2)射頻通訊在礦下復(fù)雜環(huán)境下可以完成信號(hào)傳輸，且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了純水環(huán)境下最大通訊距離為0.8 m。