刮板输送机刮板链张力监测系统的研究

梁卫兵

（山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司， 山西 晋城 048100）

引言

在煤矿综采工作面中，刮板输送机属于重要设备。刮板链是输送过程中必不可少给的关键部件，它是刮板的动力来源，给刮板传递牵引力，从而对物料进行输送。而刮板链依靠摩擦力才能运动，受到动静摩擦力的影响，很有可能发生断链、卡链以及跳链等的失效故障，且失效率偏高，对它进行维修费时费力，严重影响到刮板输送机的工作效率[1-2]。因此，对刮板链的监测在生产过程中非常重要。其中，刮板链的张力在刮板链运行过程占据重要位置，它能够表征刮板链的运行状态，因此，设计监测系统并通过张力传感器，对刮板链的张力进行实时监测，这样可以实时判断刮板链的工作状态，及时预防刮板链故障，提高刮板输送机的运行效率，保障矿场的高效生产运行。

1 刮板输送机刮板链的故障原因

刮板链是被机头以及机尾的链轮进行牵引，做循环的回转运动，固定在刮板链上的刮板就可以不断将物料从机头运送至机尾，见图1[3]。在这个过程中，刮板上输送物料的不同，就会导致刮板链受到的力也不同，就是说负载不断变化，这就使得链条受到的张紧力会不断发生变化，张紧力太大或者太小都会影响刮板链的正常工作，从而影响输送过程[4]。如果链条的张紧力太小，链条就会松弛，不管是在机头还是机尾，链条和链轮的接触就会松弛，就使链条容易脱离链轮，造成链轮的冲击振动，就有可能使链条发生断链卡链的故障。如果链条的张紧力太大，又会造成摩擦力太大，不仅增大了设备的损耗，而且增加了运行的阻力，会消耗更多的能量，造成能量浪费。所以，有必要对张紧力进行实时监控[5]。

图1 刮板输送机工作原理示意图

2 张力监测系统结构

张力监测系统，总共分为三个部分，见图2。

1）张力采集装置。它通过电池进行供电，内置有稳定压力的芯片，能够持续输出稳定的电压。它采集刮板链的应力采用的是集成应变片，经过放大电路，将采集的刮板链应力输出信号进行放大，利用射频芯片CC2530 采集以及AD 转换，发射到空中。

2）数据接收装置。它可以通过天线，获得空中的信号信息，然后利用射频芯片CC2530，将所获得的张力信号信息进行解调，然后上传给上位机，或者是通过输入/输出接口控制LCD 显示器，能够实时地显示获得的张力信息。

图2 张力监测系统结构图

3）接近开关。该部件利用霍尔传感器受磁场的影响，其中，永磁体和数据接收装置的位置接近，当张力采集装置和霍尔传感器模块同时靠近永磁体时，由于磁场的影响，霍尔传感器产生下降的电信号，这个信号就会使张力采集装置进行张力采集的数据发送。在数据发送成功后，张力采集装置进入休眠状态，这样可以节省能量损耗。

在这个监测系统中，张力采集装置被安装在刮板下的压板内部，刮板是高强度的合金材质；数据接收装置被安装在刮板输送机具有类似合金材质的中板内部。这两个的安装位置都可以防止电磁波对信号的干扰。而应变片由于是监测刮板链张力变化的，它就直接黏贴在了刮板链上。

3 张力监测系统各部分电路及程序

3.1 张力采集装置

在张力监测系统中，以张力采集电路为基础对传感器及信号调控方面进行设计。

刮板输送机的刮板链所受到的张力F 和它的应变ε 成正比，它们的比例系数和弹性模量E 以及刮板链的横截面积S 有关[6]：在张力监测系统中采用应变片对张力进行采集，它将刮板链的应变转换成了电阻变化，而电桥电路就是将电阻变化转变为电压变化，但是这个变化电压的输出信号虽然很精确，但是范围很小，因此需要对输出信号进行调孔，见图3。

图3 张力采集电路图

张力采集电路包括三个模块：应变片模块、放大模块以及滤波模块。使用的集成应变片包含了4 个相互连接并且垂直的栅状的金属丝。实际上，因为刮板链受到的张力作用，只有拉伸方向会产生相应的应变，所以，采用的集成应变片中，只有其中的两个是可以采集应力信号的，另外两个是温度补偿。在应变片电路中，一端接电源，一端接CC2530 的输入/输出接口，另外两个端口作为差分输出。CC2530 的输入/输出接口可以控制输出高电压或者低电压。当输出高电压时，接电源的端口和CC2530 的输入/输出接口的电压是相同的，这时，应变片中没有电流的处于关闭状态；当输出低电压时，应变片中产生电流，这个时候应变片就开始工作。应变片的这个操作可以有效地节省张力采集装置的能量消耗。

张力采集装置程序不仅可以采集电压数据，还可以控制应变片的供电，以及张力采集装置的休眠等。流程图如图4 所示。

图4 张力采集装置程序图

先将整个程序进行初始化，也就是要配置各域网的ID，对硬件进行初始化，设定相应的通信通道。当初始化完成之后，张力采集装置就可以开始准备对张力等数据进行采集了。要采集刮板链的张力，就需要先给应变片的电桥电路提供必需的电压，在电压稳定后，经过放大，将模拟的电压数据转换成为数字量，并存储在内存里面。

在电桥电压的采集结束以后，应变片的电源就被断开，这个时候就可以开始准备发送相关的数据了。等到数据发送成功后，就可以自动进入到休眠模式，这个时候的消耗能量是非常低的。

3.2 数据接收装置

将信号接收后，通过对电压的数字化结果进一步进行换算后才能将信号进行下一步传送。在CC2530 中，设置有两个通信接口，而且这两个通信接口都可以在单独的输入/输出接口设置，从而对数据进行发送和接收，见图5。

图5 数据接收装置电路

在CC2530 中，进一步添加控制驱动程序，将包括写命令、显示等写入程序中，从而达到可以显示监测数据的目的，见下页图6。

3.3 接近开关

接近开关的功能是利用霍尔传感器来实现的，通过霍尔传感器在输入端控制输入电压的稳定，在输出端控制输出信号的稳定，利用加入的电阻效应进一步稳定输出信号。

图6 数据接收装置显示监测数据

当张力采集装置和霍尔传感器模块受到磁场的影响时，会产生下降沿信号，也就是中断信号，这个信号被监测到后，CC2530 会从休眠模式中退出，开始工作，执行上面所说的系列程序，直到又开始进入休眠模式，见图7。从这个过程可以得到，中断程序和接近开关的相互合理配合，就可以实现张力采集装置在电压数据采集并且发送完了之后自动进入休眠模式，降低能量损耗，并在中断信号时自动重新进行工作。

4 实际应用效果

对矿场所用的SGZ800/800 刮板输送机刮板链张力采用监控系统进行实时监测。在监测系统中，数据接收装置一直处在接收的状态，张力采集装置在大部分的时候处在功耗比较低的状态，这个时候的工作电流大约为0.5 mA；当霍尔传感器受到磁场的影响时，张力采集装置开始进行张力数据的采集和发送，采集到的数据实时显示在LCD 上，从发送数据到接收这个过程经历时间大约为16 ms。而在采集的过程中，这个时候的工作电流大概为20 mA，说明采集装置能够节省大约60 倍的能量。

5 结论

图7 霍尔传感器电路

对刮板输送机的刮板链张力进行监测装置及程序设计，可以实现实时监测刮板链的张力数据，有效避免由于刮板链故障而造成对生产的影响，同时设计的张力采集装置对比普通的装置能够节省大约60 倍的能量损耗，无论从保障矿场的正常运行方面，还是节能方面，张力监测系统对矿场的生产运营都有很大的利用价值。