矿山刮板输送机链条张紧力检测系统研究

张 晋 虎

（晋煤集团长平公司，山西 晋城048000）

0 引 言

在矿山机械中，刮板输送机是关键装备之一，刮板链是刮板输送机的关键部件，复杂的作业环境下容易导致链条出现故障。当故障发生时，降低煤矿生产的生产效率[1-2]。刮板输送机中刮板链故障方式包括断链、卡链等。刮板输送机刮板链故障时，其张力较正常时会有显著变化。所以，可通过检测刮板链张力的变化判断其是否在正常工作状态，从而提高生产效率[3]。

刮板输送机在矿井中所在位置低，刮板输送机主要依靠中板的摩擦前进输送开采下来的煤矿。在矿井中含有大量水分，水位升高有时能淹没刮板回程。普通情况下安装的张力检测系统有时候会受到矿井水分的淹没，信号受到干扰，检测结果精度变差。因此，在对刮板输送机安装张力检测系统时，需要考虑矿井下复杂环境的影响[4]。

本文在分析当前煤矿井下刮板输送链张力检测系统不足的基础上，设计一种新型张力检测系统，用于链条张力检测。该系统通过无线电磁信号传输，安装在中板与刮板内部。张力采集装置获得刮板上的张力信息，发送给安装在中板上的数据接收装置，最后传至LCD 显示器或上位机，实现刮板链条张力的动态检测。同时系统加入休眠机制，最大限度降低了检测系统功率消耗。

1 系统总体结构组成

矿山刮板输送机链条张力检测系统从功能上分为张力采集装置、数据接受装置、接近开关，如图1所示。

图1 矿山刮板输送机链条张力检测系统总体结构

1）张力采集装置：该装置的动力输出源头是电池，刮板链条张力通过应变片采集，采集的信号经放大电路放大，然后依次通过CC2530、射频模块传输到平板天线。

2）数据接收装置：天线将刮板链条张力接收后，再通过复杂媒介传给CC2530，信号通过I/O 接口或者USB 接口模块被解调后传递给上位机。

3）接近开关：接近开关包括永磁体和霍尔传感器两个重要模块，这两个模块配合工作行成张力采集装置的休眠机制，降低了采集系统的功率消耗。当信号传输完成，采集装置开始休眠，随后永磁体再次检测到信号后唤醒张力采集装置，开始新一轮数据采集。

2 张力检测系统安装

矿山刮板输送机链条张力输送装置是运动的，在运动过程中采集张力的困难比静止时采集难度大，为了完成张力的准确采集，所以把信息采集装置安装在刮板内，随刮板一起运动，从而实现张力采集和传输。在矿井复杂的环境下，数据接受装置安装位置有严格的要求，在合适的位置对于保证检测数据的准确性具有重要意义。电磁波容易受到矿井水、矿渣等干扰，所以安装时需要注意。

为了保证矿山刮板输送机链条张力检测系统的正常工作，需要改造刮板输送机组件。便于应变片的粘贴，在刮板中部开设槽口；下板加工出通孔和空腔，一方面连接应变片与电路的导线通过下板空腔的通孔接入，另一方面空腔中安装霍尔传感器和张力采集装置；中板中部用于安装永磁体和数据接收装置。安装刮板张力检测系统的上板、中板、下板结构图如图2 所示。

图2 安装张力检测系统的上板、中板、下板结构图

煤矿井下环境复杂多变，需要保证检测系统具有相对稳定的工作条件，才能提高检测精度。对张力检测系统来说，进行合适的位置安装能够有效避免矿山复杂环境对检测数据的影响和干扰，电磁波容易受到干扰导致数据传输出现失误，从而影响正常检测结果，严重时影响输送机工作，降低煤矿生产效率。所以，合理的安装能够保证系统正常工作状态，提升检测系统使用性能。

3 张力检测系统无线通信传输方案

在煤矿开采过程中，矿井中会有大量的矿水，水中含有复杂的盐离子，这些盐离子会对数据的采集和传输造成干扰。普通带有电缆线的张力采集系统，容易受到矿井水和矿渣的影响，从而导致数据传输受阻。为此，可以采用无线通信的方式实现数据的传输，从而有效检测矿山刮板机链条张力。

3.1 无线通信的工作原理

矿山刮板输送机张力检测系统采用无线通信的方式，安装如图3 所示。由于矿山刮板输送机的下压板是钢这类对电磁波干扰的金属。所以需要设置防护罩，并且留出信号传输口。此外，增加使用对电磁波无干扰的陶瓷材料，保证电磁波正常传输。

图3 无线通信布置方案

如图3 所示，矿水经常会漫延至中板部位，在回程刮板中留有信号溢出口，电磁波信号从该口发出，被数据接收装置接收。电磁波在经过水传播的过程中会发生衰减、反射、折射等现象，当电磁波垂直透射时，信号损耗最小。

由以上分析可知，电磁波在通过介质传播时，不可避免的出现衰减，衰减的电磁波影响通信可靠性。选择合适的通信距离对于提高张力检测的精度十分必要。

3.2 无线通信距离模型设计

设置无线通信模型，并将图3 中无线通信方案导入仿真软件HFSS 计算。为了提高计算的效率，节省计算时间，简化仿真模型。忽略下板中钢材对电磁波的影响，简化为图4 仿真模型。

图4 无线通信仿真模型

如图4 所示，设置简单的无线通信模型，包括三个重要部分，即发射、接收天线、信号溢出口。接收天线、发射天线分别位于中板的空腔和刮板位置，设有保护罩，保护罩溢出口介质为陶瓷，空腔内介质为空气。矿井水在2 个保护罩之间，系统导电率大小设为4m/s，介电常数为81，发射天线功率为4.5dB?m。设d为两水平溢出口之间距离，h 为垂直距离。

通过仿真求出不同h 下的d 与Pacc 曲线关系，如图5 所示。

图5 不同h 下的d 与Pacc 曲线关系

由图5 可知，在水平距离变化时，接收功率先增大后减小，当水平距离h 满足1mm≤h≤6mm，垂直距离d 满足-25mm≤d≤25mm，接收功率Pacc＞-97dB·m，天线能够接收到无线信号，可保证检测数据传输。

4 实例分析应用验证

4.1 在赵庄矿进行相应工况检测

为了验证试验结果以及张力检测系统实用性能，开展矿井实际验证。验证矿山刮板输送链条张力检测装置如图6 所示。

由图6 可知，保护罩固定在钢结构上，在钢结构与保护罩之间添加防水装置，防止矿井水造成数据传输干扰。

图6（a）所示的张力采集装置，内部装有发射天线和霍尔传感器，图6（a）中数据接收装置接收天线贴近溢出口，永磁体安装在空腔中。2 个钢结构中放入氯化钠溶液，设有引出导线，对于张力数据的接收极为方便。现场验证时，对通孔处采取防水措施，避免影响信号接收与传输，刮板机输送链张力被采集传输给上位机。

4.2 检测结果分析

刮板输送机张力检测系统中，可以根据上位机接收到的数据判断张力情况，分析实施检测的结果，验证该系统在进行链条张力检测时是否可靠。

验证现场软件设施和硬件设施安装完成后，将2个钢结构放入氯化钠水溶液，对2 个信号溢出口的位置进行阶段性调整，以观察检测系统对张力的检测情况。当垂直距离从-200mm 增加到200mm 时，水平距离范围在1 mm＜h＜5 mm，上位机可以正常接收刮板输送机链条张力。

为了考察张力检测系统工作时的功率大小，使用示波器对系统的运行功率进行测试，当刮板输送机张力检测系统正常工作时，测得电流大小为20 mA，当系统进入休眠机制，电流远远小于正常工作状态下的电流值，实际测得电流大小仅为0.48 mA。由此可知，带有休眠机制的刮板输送机张力检测系统可以节约大量的能源消耗，把功率降低到工作状态下的1/40，极大提高了张力检测系统的使用寿命。

5 结 论

针对当前矿山刮板输送机链条张力检测系统检测精度差、系统易损坏、功耗过大等问题，设计矿山输送机链条张力检测系统。该系统能够避免复杂矿井环境对检测结果的影响，提高检测精度。张力采集装置获得刮板上的张力信息，通过无线电磁信号传输，发送给安装在中板上的数据接收装置，最后传至LCD 显示器或上位机，实现刮板链条张力的动态检测。本文对张力检测系统开展仿真研究，仿真显示天线能够接收到无线信号，可保证检测数据传输。最后进行矿井实验，结果表明，该系统可以实现数据有效传输，节约功率消耗，避免了恶劣环境张力检测失效，检测效果良好。