大型刮板输送机动态张力测试与智能外文翻译资料

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大型刮板输送机动态张力测试与智能

ISSN:1751-8822

2016年11月10日收到

2017年3月3日修改

2017年4月12日接收

2017年7月11日E-first

Doi:10.1049/iet-smt.2016.0425

www.ietdl.org

协调控制系统

王海建¹，张强^1,2，谢飞³

1辽宁工业大学机械工程学院，辽宁阜新123000

2大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116023

3中华人民共和国特种设备检验研究院，辽宁沈阳110035

电子邮件:18341864272@163.com

摘要:针对大型刮板输送机的动态张力监测，设计了动态张力试验和智能协调控制系统，实现了重载驱动刮板输送机链轮的协调控制。动态张力测试系统是由应变计、无线信号传输装置和压电能量采集装置组成的子系统。应变计安装在与刮刀啮合的链条上，以测量动态张力。采用无线信号传输装置传输弱应变信号。压电能量收割机用于驱动应变计和无线信号传输装置。采用参数自整定模糊比例积分微分控制器建立协调控制系统，对两驱动链轮之间的负载平衡和动态张力进行调节。测试结果验证了该动态张力测试系统的有效性和系统的自功率稳定性。实验结果表明，该协调控制系统能够较好地平衡两驱动链轮之间的负载和动态张力。从而延长了重型刮板输送机的维护周期和使用寿命，降低了维护成本和能耗。

1介绍

刮板输送机广泛用于工作面运输设备[1,2]。刮刀的表演和链构成的核心板输送机、刮板输送机的质量具有重要意义[3],和一个过高或低压的链可能造成不利影响的安全稳定运行输送机[4]。由于链条具有一定的弹性和粘度，在使用过程中需要克服较大的摩擦阻力。长时间的运行和沉重的负荷拉长了链条，从而降低了刮板输送机系统的受力，容易造成链堵塞、断链或跳链等事故[5,6]。此外，显著的张力提高了刮板输送机的运行阻力，从而增加了能耗。

随着大型集约化煤矿[7]的发展，重型刮板输送机得到了越来越多的应用。常用刮板输送机的最大功率可达3000 kW，可承受较大的负荷。但是，重载增加了刮板与主动链轮啮合点的动态张力，导致电机抱转过载，对电机造成严重的损坏和经济损失。因此，本研究提出一个动态张力测试系统，以提供可靠的测试数据，使技术人员能够正确维护刮板输送机。

此外，重型刮板输送机的负载增加，导致两个驱动链轮之间的负载平衡和动态张力出现问题。此外，重型刮板输送机的平衡调整对其稳定运行和使用寿命具有重要意义。因此，需要对大型刮板输送机的协调控制系统进行深入的研究。

这类问题在以前的几项研究中得到了检验。Weigel等人[8]发明了一种检测和调节链式输送机刮板链张力的装置。传感器封装在具有旋转能力的传感器内，并与轴编码器耦合，传感器在激烈的竞争中，刮板链的上表面决定了使得操作刮板和/或链环在垂直状态下工作良好的测量区域。希尔公司的发明用于检测和调节刮板链张力的装置。因此，当它离开返回链轮进入输送机顶圈时，主要用于识别断裂链。此外，它还提供了一个在两端都有滑动框架的输送机，允许在保持足够的链条张力和控制的同时，将输送机的两端独立地调整到煤块的每一端。Tout等人[10]发明了一种用于链式输送机的链张力传感器，该传感器包括一个反应臂和一个负载传感销。负载感应销连接到反应臂上，使其能够感应飞行器施加的力。朱和兴[11]分析了链轮头部链条松侧的垂度和张力之间的关系。结果表明，在不同的链态下，链的悬垂量表现出不同的特征。在此基础上，找到了测量刮板输送机张力的最佳位置。刘和徐[12]设计了一种特殊的装置，它被胶带绑在链条上，内部有一个拉力测量传感器。该装置与链条一起工作，并在通过链轮时测量信号。孟[13]构成测量电桥时，将应变片粘贴在链板上。此外，结合应变仪和记录仪表，研制了刮板链拉力测试系统。刘[14]根据刮板输送机链条张力的最优值，计算出链条的最佳凹陷。然后直接在链条上下安装接近传感器，将垂度控制在理想范围内。Dolipski[15]自动调整初始链张力，以适应链放松传感器的需要，并提出了一种自动初始链张力调整系统，该系统的主要和辅助驱动器都配有一个伸缩槽。根据其啮合特性，张[16]将应变计安装在与刮刀啮合的链轮上。当刮刀穿过链轮时，每转一圈，应变计都会反映出链条张力的变化。以往的研究在很大程度上忽略了刮板输送机动态张力的平衡调节和协调控制。

本文的其余部分组织如下。首先，介绍了一种基于自供电技术的刮板输送机动态张力检测系统的研制。其次，提出了一种模糊比例积分微分(PID)控制系统，实现了对安装在刮板输送机链轮上的电机的智能协调控制。最后，对系统的有效性和稳定性进行了实验验证。

表格 1应变计标定值

2拉伸试验系统

通常，张力测试涉及以下三个方面的瓶颈:

1.考虑到空间限制，传感器必须足够小且易于安装。

2.在动态测试中，保证电源长期稳定是必要的。

3.测试精度高，抗电磁干扰能力强。

2.1结构与原理

图表 1拉伸试验系统的结构、安装方法和原理（a）结构和安装方法，（b）拉伸实验原理

刮板输送机的工作环境复杂，在设计和安装张力测试系统时需要考虑各个因素。图1a为所设计的拉力测试系统的结构和安装方法。对刮板上下端进行了结构改造。电缆槽用于安装电线以提供电力和通信。较低的带有缺口的部分用于安装压电能量收割机和无线信号传输装置。为了安装应变计，与刮板啮合的两根链条的中心用铣刀加工，然后对链条中心进行表面保护处理。

刮板输送机在不同载荷和摩擦力的影响下，其振动持续剧烈。压电能量采集器为应变计提供电能，无线信号传输装置在振动激励下产生电能。应变计通过无线信号传输装置向拉力测试系统传输实时拉力信号，从而实现了后期分析和信号处理。图1b为拉伸试验原理图。

2.2应变片张力校核

为了保证刮板输送机拉力测试的准确性，需要在安装前对应变计进行校准[17,18]。张力测试系统采用直接标定法，主要测量刮板输送机的张力，而不是各点的应力分布。为了确保准确的校准，刮板、链条和应变计的安装和装载位置都必须与实际情况相匹配。每次加载值的变化范围不应太大，校准时应按升序或降序进行，并根据经验确定为5kN。此外，还需要在相同的加载值条件下进行重复测试，从而通过对测试值进行平均来提高测试精度。表1为应变计的校准值。

根据表1中应变计的标定值，得到拉力的二次拟合公式如下:

F=4.248e^-9K³-6.782e^-5K² 0.457K-442.1211

其中K为弱应变的测试值，F为拉伸的测试值。

2.3压电能量收割机

分别安装在刮板和链条上的无线信号传输装置和张力应变计与刮板输送机联合工作，不可能通过电缆提供电能。虽然可以在刮板上安装电池来为系统供电，但在用完电后需要循环更换电池，因此这是一个成本高而复杂的过程。此外，它还容易导致应变计和无线信号传输装置的损坏。针对上述问题，本文提出了一种基于压电能量采集器的自供电方法，以实现长期的能量供应。

该张力测试系统包括应变计和以无线信号传输装置为主要耗能装置的两部分。如图2a所示，压电能量收割机的结构设计水平空间充足，但刮板切口的垂直空间相对较小。

如图2a所示，压电能量采集器通过压电效应将振动能量转化为电能，包含四个压电谐振器、一个力杆、支撑弹簧、质量(记为M)、极限弹簧、壳体[19]。每个压电谐振器由两个压电陶瓷片、基片和连接夹组成。力杆是用来迫使压电陶瓷贴合。力杆的直径比压电陶瓷片的直径小得多，因此施加在压电陶瓷片上的载荷被认为是一种缓步载荷。支撑弹簧的主要作用包括:(i)当压电能量采集器处于非工作状态时，避免了质量M的影响。(ii)它们限制了在工作条件下受力杆强迫的压电谐振器的负载强度。此外，限位弹簧还有两个主要作用:它限制了压电谐振器在质量m的振动过程中的变形，此外，当压电能量采集器处于反向状态时，对力杆进行支撑，以避免对压电谐振器的冲击损伤。表2显示了压电能量收割机结构的尺寸和工作参数。

表格 2压电收割机结构尺寸及工作参数

图表 2压电能量收割机的结构（a）和能量采集电路（b）

刮板输送机运行时，刮板在垂直振动的作用下振动，质量M上下往复运动。此时，压电谐振器在力杆的压力下产生弹性变形，将机械能转化为电能[20,21]。

压电能量采集器的性能主要体现在以下两个方面:(1)获得较高的能量效率，(2)保证持续有效的能量供应[22,23]。如图2b所示，压电能量采集系统的能量采集电路主要由并联压电谐振器、桥式整流、滤波电容和电池组成。

图表 3不同位置处振动和加速度的弱应变曲线

图表 4不同位置处的电能供给方式（a）水平运动，（b）通过链轮传输

刮刀在不同位置上的振动加速度是不同的。图3为不同位置处的振动加速度的弱应变曲线。如图3所示，受摩擦阻力的影响，刮板在水平运动时产生剧烈的振动。在此过程中，力杆在多个压电谐振器上施加力，在质量M的激励下产生电能，收集到的电能经过整流和滤波后分为两部分。大部分能量用于应变计和无线信号传输设备，而一小部分能量储存在电池中。图4a为水平运动状态下的电能供应方式。然而，当刮板通过刮板输送机的两端时，它与链轮完全啮合。因此，振动很小，有时在张力和压力的影响下甚至接近于零。此时，电池释放电流，保证负载稳定的电能供应，如图4b所

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