張 晉 虎

（晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平公司，山西 晉城048000）

0 引 言

在礦山機(jī)械中，刮板輸送機(jī)是關(guān)鍵裝備之一，刮板鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)的關(guān)鍵部件，復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下容易導(dǎo)致鏈條出現(xiàn)故障。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，降低煤礦生產(chǎn)的生產(chǎn)效率[1-2]。刮板輸送機(jī)中刮板鏈故障方式包括斷鏈、卡鏈等。刮板輸送機(jī)刮板鏈故障時(shí)，其張力較正常時(shí)會(huì)有顯著變化。所以，可通過(guò)檢測(cè)刮板鏈張力的變化判斷其是否在正常工作狀態(tài)，從而提高生產(chǎn)效率[3]。

刮板輸送機(jī)在礦井中所在位置低，刮板輸送機(jī)主要依靠中板的摩擦前進(jìn)輸送開(kāi)采下來(lái)的煤礦。在礦井中含有大量水分，水位升高有時(shí)能淹沒(méi)刮板回程。普通情況下安裝的張力檢測(cè)系統(tǒng)有時(shí)候會(huì)受到礦井水分的淹沒(méi)，信號(hào)受到干擾，檢測(cè)結(jié)果精度變差。因此，在對(duì)刮板輸送機(jī)安裝張力檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮礦井下復(fù)雜環(huán)境的影響[4]。

本文在分析當(dāng)前煤礦井下刮板輸送鏈張力檢測(cè)系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新型張力檢測(cè)系統(tǒng)，用于鏈條張力檢測(cè)。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線電磁信號(hào)傳輸，安裝在中板與刮板內(nèi)部。張力采集裝置獲得刮板上的張力信息，發(fā)送給安裝在中板上的數(shù)據(jù)接收裝置，最后傳至LCD 顯示器或上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)刮板鏈條張力的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。同時(shí)系統(tǒng)加入休眠機(jī)制，最大限度降低了檢測(cè)系統(tǒng)功率消耗。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成

礦山刮板輸送機(jī)鏈條張力檢測(cè)系統(tǒng)從功能上分為張力采集裝置、數(shù)據(jù)接受裝置、接近開(kāi)關(guān)，如圖1所示。

圖1 礦山刮板輸送機(jī)鏈條張力檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1）張力采集裝置：該裝置的動(dòng)力輸出源頭是電池，刮板鏈條張力通過(guò)應(yīng)變片采集，采集的信號(hào)經(jīng)放大電路放大，然后依次通過(guò)CC2530、射頻模塊傳輸?shù)狡桨逄炀€。

2）數(shù)據(jù)接收裝置：天線將刮板鏈條張力接收后，再通過(guò)復(fù)雜媒介傳給CC2530，信號(hào)通過(guò)I/O 接口或者USB 接口模塊被解調(diào)后傳遞給上位機(jī)。

3）接近開(kāi)關(guān)：接近開(kāi)關(guān)包括永磁體和霍爾傳感器兩個(gè)重要模塊，這兩個(gè)模塊配合工作行成張力采集裝置的休眠機(jī)制，降低了采集系統(tǒng)的功率消耗。當(dāng)信號(hào)傳輸完成，采集裝置開(kāi)始休眠，隨后永磁體再次檢測(cè)到信號(hào)后喚醒張力采集裝置，開(kāi)始新一輪數(shù)據(jù)采集。

2 張力檢測(cè)系統(tǒng)安裝

礦山刮板輸送機(jī)鏈條張力輸送裝置是運(yùn)動(dòng)的，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采集張力的困難比靜止時(shí)采集難度大，為了完成張力的準(zhǔn)確采集，所以把信息采集裝置安裝在刮板內(nèi)，隨刮板一起運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)張力采集和傳輸。在礦井復(fù)雜的環(huán)境下，數(shù)據(jù)接受裝置安裝位置有嚴(yán)格的要求，在合適的位置對(duì)于保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性具有重要意義。電磁波容易受到礦井水、礦渣等干擾，所以安裝時(shí)需要注意。

為了保證礦山刮板輸送機(jī)鏈條張力檢測(cè)系統(tǒng)的正常工作，需要改造刮板輸送機(jī)組件。便于應(yīng)變片的粘貼，在刮板中部開(kāi)設(shè)槽口；下板加工出通孔和空腔，一方面連接應(yīng)變片與電路的導(dǎo)線通過(guò)下板空腔的通孔接入，另一方面空腔中安裝霍爾傳感器和張力采集裝置；中板中部用于安裝永磁體和數(shù)據(jù)接收裝置。安裝刮板張力檢測(cè)系統(tǒng)的上板、中板、下板結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 安裝張力檢測(cè)系統(tǒng)的上板、中板、下板結(jié)構(gòu)圖

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜多變，需要保證檢測(cè)系統(tǒng)具有相對(duì)穩(wěn)定的工作條件，才能提高檢測(cè)精度。對(duì)張力檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，進(jìn)行合適的位置安裝能夠有效避免礦山復(fù)雜環(huán)境對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響和干擾，電磁波容易受到干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)失誤，從而影響正常檢測(cè)結(jié)果，嚴(yán)重時(shí)影響輸送機(jī)工作，降低煤礦生產(chǎn)效率。所以，合理的安裝能夠保證系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，提升檢測(cè)系統(tǒng)使用性能。

3 張力檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)線通信傳輸方案

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，礦井中會(huì)有大量的礦水，水中含有復(fù)雜的鹽離子，這些鹽離子會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和傳輸造成干擾。普通帶有電纜線的張力采集系統(tǒng)，容易受到礦井水和礦渣的影響，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸受阻。為此，可以采用無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而有效檢測(cè)礦山刮板機(jī)鏈條張力。

3.1 無(wú)線通信的工作原理

礦山刮板輸送機(jī)張力檢測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線通信的方式，安裝如圖3 所示。由于礦山刮板輸送機(jī)的下壓板是鋼這類對(duì)電磁波干擾的金屬。所以需要設(shè)置防護(hù)罩，并且留出信號(hào)傳輸口。此外，增加使用對(duì)電磁波無(wú)干擾的陶瓷材料，保證電磁波正常傳輸。

圖3 無(wú)線通信布置方案

如圖3 所示，礦水經(jīng)常會(huì)漫延至中板部位，在回程刮板中留有信號(hào)溢出口，電磁波信號(hào)從該口發(fā)出，被數(shù)據(jù)接收裝置接收。電磁波在經(jīng)過(guò)水傳播的過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減、反射、折射等現(xiàn)象，當(dāng)電磁波垂直透射時(shí)，信號(hào)損耗最小。

由以上分析可知，電磁波在通過(guò)介質(zhì)傳播時(shí)，不可避免的出現(xiàn)衰減，衰減的電磁波影響通信可靠性。選擇合適的通信距離對(duì)于提高張力檢測(cè)的精度十分必要。

3.2 無(wú)線通信距離模型設(shè)計(jì)

設(shè)置無(wú)線通信模型，并將圖3 中無(wú)線通信方案導(dǎo)入仿真軟件HFSS 計(jì)算。為了提高計(jì)算的效率，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化仿真模型。忽略下板中鋼材對(duì)電磁波的影響，簡(jiǎn)化為圖4 仿真模型。

圖4 無(wú)線通信仿真模型

如圖4 所示，設(shè)置簡(jiǎn)單的無(wú)線通信模型，包括三個(gè)重要部分，即發(fā)射、接收天線、信號(hào)溢出口。接收天線、發(fā)射天線分別位于中板的空腔和刮板位置，設(shè)有保護(hù)罩，保護(hù)罩溢出口介質(zhì)為陶瓷，空腔內(nèi)介質(zhì)為空氣。礦井水在2 個(gè)保護(hù)罩之間，系統(tǒng)導(dǎo)電率大小設(shè)為4m/s，介電常數(shù)為81，發(fā)射天線功率為4.5dB?m。設(shè)d為兩水平溢出口之間距離，h 為垂直距離。

通過(guò)仿真求出不同h 下的d 與Pacc 曲線關(guān)系，如圖5 所示。

圖5 不同h 下的d 與Pacc 曲線關(guān)系

由圖5 可知，在水平距離變化時(shí)，接收功率先增大后減小，當(dāng)水平距離h 滿足1mm≤h≤6mm，垂直距離d 滿足-25mm≤d≤25mm，接收功率Pacc＞-97dB·m，天線能夠接收到無(wú)線信號(hào)，可保證檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸。

4 實(shí)例分析應(yīng)用驗(yàn)證

4.1 在趙莊礦進(jìn)行相應(yīng)工況檢測(cè)

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果以及張力檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)用性能，開(kāi)展礦井實(shí)際驗(yàn)證。驗(yàn)證礦山刮板輸送鏈條張力檢測(cè)裝置如圖6 所示。

由圖6 可知，保護(hù)罩固定在鋼結(jié)構(gòu)上，在鋼結(jié)構(gòu)與保護(hù)罩之間添加防水裝置，防止礦井水造成數(shù)據(jù)傳輸干擾。

圖6（a）所示的張力采集裝置，內(nèi)部裝有發(fā)射天線和霍爾傳感器，圖6（a）中數(shù)據(jù)接收裝置接收天線貼近溢出口，永磁體安裝在空腔中。2 個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中放入氯化鈉溶液，設(shè)有引出導(dǎo)線，對(duì)于張力數(shù)據(jù)的接收極為方便?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證時(shí)，對(duì)通孔處采取防水措施，避免影響信號(hào)接收與傳輸，刮板機(jī)輸送鏈張力被采集傳輸給上位機(jī)。

4.2 檢測(cè)結(jié)果分析

刮板輸送機(jī)張力檢測(cè)系統(tǒng)中，可以根據(jù)上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)判斷張力情況，分析實(shí)施檢測(cè)的結(jié)果，驗(yàn)證該系統(tǒng)在進(jìn)行鏈條張力檢測(cè)時(shí)是否可靠。

驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)軟件設(shè)施和硬件設(shè)施安裝完成后，將2個(gè)鋼結(jié)構(gòu)放入氯化鈉水溶液，對(duì)2 個(gè)信號(hào)溢出口的位置進(jìn)行階段性調(diào)整，以觀察檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)張力的檢測(cè)情況。當(dāng)垂直距離從-200mm 增加到200mm 時(shí)，水平距離范圍在1 mm＜h＜5 mm，上位機(jī)可以正常接收刮板輸送機(jī)鏈條張力。

為了考察張力檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)的功率大小，使用示波器對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行功率進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)刮板輸送機(jī)張力檢測(cè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，測(cè)得電流大小為20 mA，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入休眠機(jī)制，電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常工作狀態(tài)下的電流值，實(shí)際測(cè)得電流大小僅為0.48 mA。由此可知，帶有休眠機(jī)制的刮板輸送機(jī)張力檢測(cè)系統(tǒng)可以節(jié)約大量的能源消耗，把功率降低到工作狀態(tài)下的1/40，極大提高了張力檢測(cè)系統(tǒng)的使用壽命。

5 結(jié) 論

針對(duì)當(dāng)前礦山刮板輸送機(jī)鏈條張力檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度差、系統(tǒng)易損壞、功耗過(guò)大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)礦山輸送機(jī)鏈條張力檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠避免復(fù)雜礦井環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提高檢測(cè)精度。張力采集裝置獲得刮板上的張力信息，通過(guò)無(wú)線電磁信號(hào)傳輸，發(fā)送給安裝在中板上的數(shù)據(jù)接收裝置，最后傳至LCD 顯示器或上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)刮板鏈條張力的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。本文對(duì)張力檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展仿真研究，仿真顯示天線能夠接收到無(wú)線信號(hào)，可保證檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸。最后進(jìn)行礦井實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸，節(jié)約功率消耗，避免了惡劣環(huán)境張力檢測(cè)失效，檢測(cè)效果良好。