CN102562059A - 煤矿采掘机械履带行走系统载荷历程非接触监测装置及方法 - Google Patents

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本发明属于煤矿采掘机械履带行走机构监测的技术领域，具体涉及一种煤矿采掘机械履带行走系统荷载历程非接触监测装置及方法，发明目的：提供一种可靠性高、稳定性好的履带机械行走机构监测方法和载荷识别技术，及时提供履带行走机构的载荷历程，以确保履带行走机构的质量和使用寿命。监测装置，包括上位机以及内置于履带行走系统被测履带板的下位机，下位机包括应变计以及与应变计连接的具有无线发射功能的采集发射模块，上位机包括后台和具有无线接收功能的控制单元。本发明的有益效果：随时掌握履带式机械承载结构工作时的技术状态，实现了对履带行走机械结构的长期在线监测，节约大量的人力和资金，方便快捷，有较高的实用价值和经济价值。

Description

煤矿采掘机械履带行走系统载荷历程非接触监测装置及方法
技术领域
本发明属于煤矿采掘机械履带行走机构监测的技术领域，具体涉及一种煤矿采掘机械履带行走系统荷载历程非接触监测装置及方法。
背景技术
随着我国对煤炭需求量的持续增加和煤矿采掘机械化程度的不断提高，履带式机械接地面积大、接地比压小、输出功率大、附着性能好、爬坡能力强、转弯半径小、跨沟越埂能力强等特点在煤矿井下松软、泥泞等各种复杂路面运行的作用显得尤为重要，大部分大型矿用机械都应用履带行走机构。
履带行走机构是履带式机械如连续采煤机、锚杆机等现代化采掘设备的重要组成部分，其作用是承担整机的重量，支承和平衡整机在工作过程中受到的所有作用力和反作用力，同时进行作业过程中的行走和回转。煤矿井下条件恶劣，巷道底板不平整，经常有较多煤泥水，承载能力相对较低，因此对采掘机械特别是重型采掘机械的行走机构要求较高。起伏不平的巷道路面对整个履带行走机构冲击较大。因此通过对履带行走机构进行应力测量和载荷识别，及时掌握履带的受力情况，对其实际使用状况进行分析和研究，对于提高履带行走机构的可靠性和使用寿命具有重要的理论意义和工程应用价值。
履带行走机构长期在恶劣的工况下处于旋转运动状态，导致信号监测很难实现。
随着科学技术的发展，人们对作用于工程结构上的载荷关注程度越来越大，对其研究逐渐深入，其中动载荷对结构的影响较大，且具有破坏性和不可预见性，如飞行中飞机受到的气动载荷、轮船受到波浪的冲击载荷等，而由于井下开采环境恶劣，煤矿采掘机械履带行走装置也经常承受地面和煤壁的冲击载荷，因此动载荷是研究的重点。
确定动载荷的方法主要有直接法和间接法，直接法是直接测量出动载荷的大小或测量与动载荷有关的参数来换算出载荷的大小，但是对于履带采掘机械行走机构，其所受的外部动载荷很难直接测量，甚至是不可能测量。基于结构实测应力反演动载荷的识别技术是确定动载荷的间接途径，即动载荷识别技术。所谓动载荷识别是通过对结构动应力(位移、速度、加速度或应变等)的测量，根据已知结构动态特性，识别作用在结构上的动载荷。对煤矿用履带行走机构进行载荷识别是一个难点。
因而，目前急需构建一种适用于履带机械行走机构可靠性高、稳定性好的监测方法和载荷识别技术，及时提供履带行走机构的载荷历程，以确保履带行走机构的质量和使用寿命。
发明内容
本发明的发明目的：提供一种可靠性高、稳定性好的履带机械行走机构监测方法和载荷识别技术，及时提供履带行走机构的载荷历程，以确保履带行走机构的质量和使用寿命。
本发明采用如下的技术方案实现：
煤矿采掘机械履带行走系统载荷历程非接触监测装置，其特征在于其包括上位机以及内置于履带行走系统被测履带板的下位机，
所述的下位机包括应变计以及与应变计连接的具有无线发射功能的采集发射模块，履带行走系统上至少两块被测履带板的中间开有安装槽，履带行走系统处于初始位置时，开有安装槽的两块被测履带板分别对应于工作支段和支持支段，安装槽的中间部位贴设应变计，安装槽对应被测履带板凹陷部位的一侧开有通孔，采集发射模块也内置于安装槽内，采集发射模块的无线发射天线穿设于通孔中，安装槽上设有盖板，盖板连接于被测履带板上，盖板边缘与履带板的接触部位密封，
所述的上位机包括后台和具有无线接收功能的控制单元。
煤矿采掘机械履带行走系统载荷历程非接触监测方法，基于上述的煤矿采掘机械履带行走系统载荷历程非接触监测装置完成，应变片采集的信号经过采集发射模块以无线方式传输到上位机的控制单元，控制软件将接收到的数据存入后台建立数据库，1、2....n种工况，对应的某一位置的应变片采集的信号，也即应变测量值                                               
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE002
1、
Figure 850018DEST_PATH_IMAGE002
2…
Figure 580207DEST_PATH_IMAGE002
n ，因为某一履带板在整个运行周期中不同位置截面积并非常数，设有m个不同位置，形成截面积矩阵（m×n），对数据进行处理，目标函数如下：
        （1）
式中：F为载荷，
Figure 124776DEST_PATH_IMAGE002
为应变测量值，S为应变片粘贴处实际受力截面积值，E为履带板所用材料的弹性模量。
通过式（1）得到不同工况履带行走系统某一位置的载荷谱。
本发明实现了对履带行走机构的无线实时在线监测，得到履带的受力状况，通过后处理软件进一步对信号进行相应的分析和处理，利用载荷识别技术得到不同工况下履带的载荷历程，最后利用一维载荷谱的编制理论VB程序设计语言，可以得到不同工况履带链各个位置的载荷谱，进而获得能反映履带行走机构物理状态和特性方面的有用信息，大大的提高了履带行走机构监测的自动化程度。本发明目的在于提高对履带行走机构的结构损坏和突发事件的反应速度，缩短故障监测和维修时间，做到早发现、早维修，增加正常的工作时间，提高生产效率。通过将现代自动化控制、计算机网络、无线通讯、载荷识别等多种技术相结合，改变了原来由于各种限制而无法实时监测的困扰，实现履带行走机构联网自动监测控制智能化和管理网络化。
履带行走机构现场试验实测载荷—时间历程，是一个连续的受多种因素影响的随机过程。对这类呈明显随机性分布特点的载荷数据，使用无线应变电测技术，得到不同工况下各个位置的应变变化值，通过相应的计算分析软件得到真实载荷，借助目前普遍使用的概率统计方法及VB程序设计语言进行载荷谱编制，把实测原始随机载荷数据简化，得到能反映构件真实受载情况的“典型载荷谱”。
随着无线通信技术在诸多领域的广泛应用，许多原本独立的设备和系统开始与无线局域网互联，使越来越多的设备进行远距离传输信息成为可能。履带行走机构非接触监测系统就为这种设备信息资源的共享提供了物质手段。在采掘机械和工程机械等领域有着迫切的需求和广阔的市场，作为检测系统中重要环节的数据采集和传输技术也发生了巨大的变化。相比于传统的数据传输方式，无线传输方式不考虑长距离传输线缆以及线缆无法安装等问题，节省了大量线缆，并且降低施工难度和系统成本，特别适合人员很不方便到达的区域，应用前景巨大。
本发明具有如下有益效果：利用现有的网络资源，发挥网络覆盖率高、价格便宜、传输特性好等优势，为数据采集提供一种便捷的无线数据传输方式，通过对零件的应力、应变应力的测试得到各个工况下履带的载荷历程，进而得到载荷谱，能掌握履带的受力规律，为疲劳寿命预测提供依据，随时掌握履带式机械承载结构工作时的技术状态，实现了对履带行走机械结构的长期在线监测。不但可以提高监测的自动化程度，还可以节约大量的人力和资金，方便快捷，有较高的实用价值和经济价值。
附图说明
图1为本发明所述非接触监测装置的示意图
图2为履带板内置下位机的结构示意图
图3为本发明所述非接触监测方法的流程图
图4为履带各支段示意图
图中：1-履带行走系统，2-下位机，3-上位机，4-被测履带板，5-盖板，6-螺钉，7-垫圈，8-采集发射模块，9-应变计，10-电源模块，11-安装槽，12-通孔，13-自由支段，14-弧形支段，15-支持支段，16-工作支段。
具体实施方式
履带行走系统载荷历程非接触监测方法包括履带行走机构下位机的合理布置、无线数据传输系统的应用和载荷历程数据的识别。
所述的无线数据传输系统的应用，包括下位机的集成配置、上位机对下位机的参数设置和采集控制以及无线网络传输的实现。所述的上位机包括后台和具有无线接收功能的控制单元。下位机2内置于履带行走系统履带行走系统1，下位机2包括应变计9以及与应变计9连接的具有无线发射功能的采集发射模块8，履带行走系统1上至少两块被测履带板4的中间开有安装槽11，履带行走系统初始位置时，开有安装槽11的两块被测履带板分别对应于工作支段16和支持支段15，安装槽11的中间部位贴设应变计9，安装槽11对应被测履带板4凹陷部位的一侧开有通孔12，采集发射模块8也内置于安装槽11内，采集发射模块8的无线发射天线穿设于通孔12中，安装槽11上设有盖板5，盖板5连接于被测履带板4上，盖板5边缘与被测履带板4的接触部位密封。
履带分为自由支段，弧形支段，支持支段，其中被牵引力拉紧的自由支段称作工作支段。履带测点的布置，考虑在工作过程中受力主要在工作支段和支持支段，因此测试过程中应至少在工作支段和支持支段上分别布置一套无线采集装置，如果条件允许也可以多布置几个测点，以便最大程度反应履带工作过程中的载荷历程。应变片要求具有抗腐蚀、抗湿度、性能稳定、可靠性高的特点；采集发射模块由调理模块、低通滤波器、A/D转换器、控制器及存储芯片等组成，实现信号的调理、采集及记录等功能；电源模块主要为采集发射模块供电；下位机的集成配置共同封装组成无线传感器。上位机主要由控制器和计算机组成，实现对下位机的参数设置和采集控制。应变片采集的信号经过无线传感器放大滤波后利用其所嵌入的微处理器对信号进行提取，然后再以无线的方式可靠地传输到上位机的控制单元，控制单元将采集到的数据传向后台，后台软件将数据存入数据库。采集完成后，后台软件可以通过数据库完成数据的整理等工作。
所述的载荷历程数据的识别，旨在通过分析软件根据已知的输出和系统特性，求解系统的输入特性。履带行走机构载荷的大小、次数及频率具有随机性，其特点是载荷大小不可预测，不会重复，数值没有确定的函数表达式，但大量重复作业过程中，随机载荷变化有其内在的统计规律，通过对采集的数据进行零点偏差校正、畸点消除、无效幅值省略等处理，根据随机过程理论，应用概率统计方法，研究功率谱法，编制载荷谱。
根据应力的定义σ=F/S其物理意义为在单位截面积上所受的内力，设系统需要识别的载荷为F，应力为σ,则载荷和应力之间有如下关系：
                    
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE006
                     （1）
已知                        
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE008
                           （2）
由式（1）和式（2）得出
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE010
                     （3）
式（1）~（3）中为应力向量，
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE014
为载荷向量, 
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE016
为受力截面积矩阵
履带整个循环过程中，同一履带板在相同工况不同位置受力截面积S并非常数，它随负荷力F的大小和位置而变化，因而精确地描述F和σ之间的关系时，考虑截面积S的微变化，应力值可近似用式（4）估算
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE018
                 （4）
其中，
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE020
为不考虑截面S变化时的应力，E为材料的弹性模量，
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE022
为材料的泊松比。
设定有n种不同的工况，m个不同位置，利用应变、应力和载荷之间的关系建立不同工况不同位置下的载荷历程，根据线性叠加原理可得如下形式的多自由度系统应力关系：
Figure 956204DEST_PATH_IMAGE004
Figure 2011104384488100002DEST_PATH_IMAGE024
      （5）
式（5）中F为载荷，
Figure 832893DEST_PATH_IMAGE002
为应变测量值，S为应变片粘贴处实际受力截面积值，E为履带板所用材料的弹性模量。
利用式（4）和式（5）测得应变值，修正截面积值，可以得出真实动载荷；利用一维载荷谱的编制理论和VB程序设计语言，可以得到不同工况履带行走系统各个位置的载荷谱。
图1为履带载荷监测系统示意图，系统实现上下位机实时数据或事后数据的无线传输，上位机由控制器和计算机组成，实现对下位机的参数设置和采集控制；下位机主要包括应变计、采集模块和电源模块，采集模块由调理模块、低通滤波器、A/D转换器、控制器及存储芯片等组成，实现信号的调理、采集及记录等功能，电源模块主要为采集模块供电；该系统采用无线遥测技术对履带行走机构进行应力测试，避免导线电阻值和导线间电容的影响，安全性高；采集系统体积小、抗腐蚀、抗湿度、抗电磁干扰，可靠性强，稳定性高；应变计和采集系统布置合理，传输数据准确。
图2为履带板内置下位机结构图，在履带板1中间掏一个30mm深的槽，将应变计9贴到其中间位置，然后将数据采集单元包括采集模块8和电源模块10固定到履带板槽内，在履带板掏槽侧面预留一个小孔，将采集模块的无线发射天线通过小孔与控制单元进行无线传输，最后将盖板5通过螺钉6和垫圈7安装到履带板上，并在周围缝隙处涂上密封胶，防止水和灰尘等进入掏槽内。
图3为履带载荷历程非接触监测流程图，通过测试履带行走系统不同工况下各个运行位置的应变，得到应力变化，根据受力截面积矩阵，得到应力的载荷变化，然后运用一维载荷谱的编制理论及VB语言处理载荷数组，开发出履带行走机构载荷谱编制程序。

Claims (2)

1.一种煤矿采掘机械履带行走系统载荷历程非接触监测装置，其特征在于其包括上位机（3）以及内置于履带行走系统（1）被测履带板（4）的下位机（2），
所述的下位机（2）包括应变计（9）以及与应变计（9）连接的具有无线发射功能的采集发射模块（8），履带行走系统（1）上至少两块被测履带板（4）的中间开有安装槽（11），履带行走系统处于初始位置时，开有安装槽（11）的两块被测履带板（4）分别对应于工作支段（16）和支持支段（15），安装槽（11）的中间部位贴设应变计（9），安装槽（11）对应被测履带板（4）凹陷部位的一侧开有通孔（12），采集发射模块（8）也内置于安装槽（11）内，采集发射模块（8）的无线发射天线穿设于通孔（12）中，安装槽（11）上设有盖板（5），盖板（5）通过螺钉（6）和垫圈（7）连接于被测履带板（4）上，盖板（5）边缘与被测履带板（4）的接触部位密封，所述的上位机包括后台和具有无线接收功能的控制单元。
2.一种煤矿采掘机械履带行走系统载荷历程非接触监测方法，基于如权利要求1所述的煤矿采掘机械履带行走系统载荷历程非接触监测装置完成，其特征在于应变片采集的信号经过采集发射模块以无线方式传输到上位机的控制单元，控制软件将接收到的数据存入后台建立数据库，假设有1、2....n种工况，对应的某一位置的应变片采集的信号，也即应变测量值                                               
Figure 2011104384488100001DEST_PATH_IMAGE002
1、
Figure 976904DEST_PATH_IMAGE002
2…
Figure 243937DEST_PATH_IMAGE002
n ，因为某一履带板在整个运行周期中不同位置截面积并非常数，设有m个不同位置，形成截面积矩阵（m×n），对数据进行处理，目标函数如下：
Figure 2011104384488100001DEST_PATH_IMAGE004
        （1）
式中：F为载荷，
Figure 505154DEST_PATH_IMAGE002
为应变测量值，S为应变片粘贴处实际受力截面积值，E为履带板所用材料的弹性模量，
通过式（1）得到不同工况履带行走系统不同位置的载荷谱。
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