刮板输送机链条自动张紧系统的研究与应用

米石岩

霍州煤电集团河津五星煤业有限责任公司 山西 运城 043302

1 前言

随着我国开采年限的增加，煤矿开采的重点逐步向着覆存条件复杂的煤层进行转移，这无疑对煤矿机械设备的可靠性提出一定的要求。刮板输送机作为煤矿重要的运输设备，其运行性能的可靠与安全直接影响着矿井的正常生产[1]，由于工况环境较为恶劣使得刮板输送机的链张紧系统极易出现故障引起的损坏，所以对刮板输送机张紧系统进行研究是十分重要的，此前张晋虎[2]为解决矿山刮板输送机链条张力检测系统精度差、易损坏、耗能大的问题，给出了新型张力检测系统。通过无线电磁信号的传输采集刮板的张力，再将张力显示于LCD显示器，从而实现刮板链条张力的实时检测。发现，设计方案能够满足链条张紧需求。本文基于电流法对刮板输送机的链条张紧系统进行优化研究，为提升矿井开采效率做出一定的贡献。

2 电流法原理分析

刮板输送机作为一种挠性连续运输设备，刮板链是其重要的牵引部件，其工作原理是将刮板与链条进行固定，组合而成刮板链，将刮板链的敞开部分放置于溜槽位置，当驱动电机开始运行时带动链条进行运转，从而使得刮板开始运转，将装载的煤矸石运输至机头位置卸载，完成刮板输送机工作任务。

电流法也可称呼为无传感器故障诊断法，通过检测异步电机的电流变化，从而实现异步电机与外部设备的故障诊断。当机械发生故障时，此时的旋转方向的振动发生较为明显，使得相连轴系的振动频率出现一定的波动，波动按照形式一般分为自由扭转和强迫扭转，本文主要分析强迫扭转，发生强迫扭转最为重要的原因是由于刮板轴系的载荷出现变动，振动通过传递使得驱动电机出现振动。对基于电流法链条张紧进行研究时首先需要建立异步电机转子和负载扭转模型，模型如图1所示。

图1 异步电机转子和负载扭转模型

如图1所示，J1为电机的转动惯量，N.M.s-2；TL为轴的耦合扭矩，N.M；J2为轴系的转动惯量，N.M.s-2；Te为电机的空气扭矩，N.M；θ1θ2为转子的位移，ω1ω2为角速度。所以电机与轴系的动态方程表达形式如下所示：

式中：K代表刚度，N/m；J为转动惯量，N.M.s-2；将上式进行进一步转换，得到如下公式：

电机的力矩可以表示为：

式中：n为电机的额定转速，r/s；PN为电机的额定功率kW；

可以看出，模型为电流、电压、转速、力学参数等共同组成的耦合系统，在系统运行过程中，当设备发生扭转振动时，此时的传动扭矩TL周期性波动，相当于迫振系统。

对链条的张力进行计算，计算方法选定为逐点张力法，计算原理是一点张力等于上一点张力减去两点张力间的阻力。同时张力与输送机的铺设方向有着密切的关系。

将计算得出的刮板输送机阻力空载100N重载200N代入至仿真模拟中进行仿真计算，设定通讯的间隔为5e-5，张力分别设定为4300N，3000N，设置的最大步长为1e-10，刮板链的重量设置为50kg，刮板输送机的运行方向为水平，对张紧力较小和较大分别进行仿真研究，仿真结果如图2所示。

如图2所示，（a）（c）为刮板输送机在预紧力较大或较小情况下的电流情况，可以看出随着运行时间的增加，不同张紧力下的电流逐步趋于稳定。而图3（b）（d）为电流数据的FFT变换后电流频谱图，在不同张紧力下的电流频谱图有着明显的差距，当预紧力较大时，此时定子电流FFT变换后的数据较预紧力较小时的数据小，从而可以看出，利用电流法来检测刮板输送机链传动系统张力变化是完全可行的。

图3 张力较大、较小时频谱曲线

3 验证实验

对基于电流法的刮板输送机链张紧系统进行试验研究，首先对实验装置进行布置，试验装置根据其功能可分为信号采集部分和机械部分，其中机械部分选定JW09A0-4号电机，JZQ-200型减速器，张紧装置选用张紧螺栓，通过螺栓的调节使得皮带间的间距实现调节，从而得到张力的调整。信号采集装置选型，电流传感器选定为霍尔传感器，其具有精度高、测量范围广、动态性能好、可靠性高、体积小等优点，同时检测探头选定为Fluke i1000s，探头能够消除系统杂音、噪声等问题，在不切断线路的情况下进行电流检测。数据采集箱选用UA306S，UA306S采集箱是一种新型A/D产品，通过USB接口与上位机等进行连接，实现信号的采集。信号的处理系统选定为matlab软件，处理系统通过对异步电机的电流信号进行实时的分析，生成频谱图，并对频谱图的峰值进行识别，以此对比刮板输送机链条张力是否正常，正常情况下是否存在张紧和放松的情况，并采取相应的措施。

仿真试验为验证试验，通过观察电机定子电流来确定扭转振动频率，测得数据后通过matlab将其进行转化，转换后的电流曲线如图3所示。

如图3所示，横轴为频率，纵轴为电流，从图中可以看出，当张力的大小发生一定变化时，此时的链轮与刮板啮合刚度发生变化，使得两者的扭转振动频率也发生了变化，此时安装的电流传感器检测到系统电流发生的变化，及时进行张紧力的调整，根据图可以得出张力较大、较小时频率与电流的关系。当张力较大时，频率48.8Hz时取到电流的最大值6306mA，当张力较小时，频率在48.4Hz时取到最大值7954mA，电流法可以较好的实现刮板输送机链传动张力的控制，及时定位故障，保障刮板输送机平稳运行。

4 结束语

（1）本文介绍了电流法张力控制的工作原理，给出了异步电机转子和负载扭转模型和计算公式，为后续设计提供依据。

（2）对基于电流法刮板输送机链张紧系统进行研究，分别对比了张紧力较小和较大时的电流曲线及频谱图。

（3）利用仿真研究对基于电流法张紧系统可行性进行验证研究，发现电流法可以较好的实现刮板输送机链传动张力的控制，保障刮板输送机平稳运行。