刮板输送机张力监测系统的应用研究

周密林

（中国煤炭科工集团山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006）

引言

刮板输送机是一种广泛应用在井下的物料输送设备，其利用传动系统带动刮板链运行，因此刮板输送机的链传动系统直接关系到刮板输送机工作的稳定性和可靠性，在运行的过程中刮板链需要保持一定的张紧力，从而避免运行过程中的卡链或者脱链[1]。传统的刮板输送机自动监控装置在工作时由单独的供电模块进行电能供应，需要定期对其更换，当电量衰弱大时极易导致对刮板链的张力监测不准确，影响输送机系统的稳定运行，因此本文提出了一种基于压电振动俘能的张力实时监测装置。通过采用微应变检测方案对刮板输送机运行过程中的张力进行不间断的监测，同时在该监测装置内设置有压电振动俘能装置，能够实现将刮板链运动时的动能转换为电能，满足对监测系统连续不间断的供电要求，避免了反复拆装和电能不足而导致的监测偏差，极大提升了对刮板链运行张力监测的准确性。

1 张力监测系统的结构及工作原理

为了确保刮板输送机刮板链的张力监测系统在恶劣工况下工作的可靠性，分析后确定将该监测装置设置在刮板输送机系统的刮板和链环结合的位置，其安装结构如图1 所示[2]。

由图1 可知，在进行安装时，分别将刮板的下侧和上侧进行开槽并设置布线孔，其上部的布线孔用于设置通信电缆和供电电路，下部的布线孔则用于设置压电俘能装置和信号传输装置。

由于刮板输送机系统在工作时需要承受频繁的冲击载荷作用，由此通过设置压电俘能装置实现将刮板链的振动能量转换为电能，为监测系统的正常运转提供能量供应。系统内的应变片通过该信号传输系统将监测到的刮板链内变化不断的张紧力传输给上位机的监测中心，并实现对监测信号的分析、处理和转换，从而实现对刮板链运行张力的稳定监测，其监测原理如图2 所示[3]。

图1 张力监测装置的安装结构示意图

图2 刮板链张力监测原理示意图

2 压电俘能结构及工作原理

由于刮板输送机张力监测系统的主要消耗电能的装置为信号传输设备及应变片，因此综合考虑刮板和链环结合处的空间结构，其采用了水平排列方式来建立该监测系统的压电俘能装置，其整体布置结构如下页图3 所示[4]。

由图3 可知，该压电俘能装置主要包括质量块、限位弹簧、压电瓷片、基板等，其施力杆设置在压电瓷片的中心，施力点的直径小于压电瓷片的直径，因此该施力点可视为载荷作用的中心。其支撑弹簧的作用是确保压电振子在非工作状态下所受的载荷强度，避免过载受到损坏。

图3 压电俘能装置布置结构示意图

刮板输送机在运行过程中刮板链的振动幅度变化曲线如图4 所示。

图4 刮板链运行过程中的振动曲线变化示意图

由图4 可知，刮板输送机在运行的过程中由于上料、下料等冲击作用，使刮板链产生振动，设置在刮板链上的压电俘能装置的质量块在振动的影响下对一系列的压电振子产生挤压作用，使其产生电能，然后各处的电能通过整流电路的整流作用进行集聚后对用电部分进行供电，刮板链运行过程中的振动越大，对压电振子的影响越大，单位时间内产生的电能就越多。

3 张力监测装置的现场试验

为了对该基于压电振动俘能的刮板输送机的自动张力监测系统的工作可靠性进行验证，本文搭建了刮板输送机张力监测试验平台，利用现场实际测量的方法对其工作可靠性进行验证。该试验平台中采用了SGZ 系列刮板输送机，其功率为1 710 kW，长度为70 m，空载运行时的速度为1.47 m/s，空载情况下运行一周所需要的时间约为102 s，在该实验平台中将压电振动模块和信号发射模块分别设置在刮板两侧的密闭腔体内，其中压电振动模块和信号发射模块均为双份结构，实现一用一备，确保系统工作时的稳定性，应变片设置在链条和固定块接触的位置上，其检测系统的结构布局如图5 所示。

由现场实际测试可知，在刮板输送机运行的过程中压电振动俘能器的工作稳定、可靠，能确保电能的连续、稳定供应，压力传感器设备和信号发送设备的工作稳定，测试得到的刮板输送机链条张力的微应变变化曲线如图6 所示。

图5 刮板输送机张力监测系统验证平台

图6 刮板链条的张力变化曲线

由图6 可知，图中的第一个张力突变点位链轮和链环的啮入点，第二个张力突变点位链轮和链环的啮出点依次交替，其时间间隔约为52 s，其在第207 s 时后刮板链的链轮和链环在机头下的啮出点处，其微应变约为2.0×103，所对应的张力约为112 kN。刮板链和链轮的啮入点的微应变约为2.23×103，所对应的张力为125 kN，其表明刮板输送机在空载运行时下端链的阻力约为13 kN，通过利用该张力监测系统所监测的张力变化结果与采用传统的张力计监测的结果基本一致，表明了该监测装置张力监测的可靠性。

4 结论

1）通过对刮板输送机张力系统的改造，实现了对刮板输送机输送链张力的精确监测，解决了信号监测、传输不易的问题；

2）通过设置压电振动俘能传感器，设置在刮板链上的压电俘能装置的质量块在振动的影响下对一系列的压电振子产生挤压作用，使其产生电能，然后各处的电能通过整流电路的整流作用进行集聚后对用电部分进行供电；

3）实际试验结果表明，该系统能对刮板链运行时的张力变化情况进行实时监测，且能够保证稳定的电能供应，具有可靠性高、稳定性好的优点。