CN104792563B - 滚筒采煤机综采成套装备力学特性的测试系统 - Google Patents

Abstract

一种滚筒采煤机综采成套装备力学特性的测试系统，从根本上解决了现有滚筒式采煤机力学特性检测误差大、检测参数数量少、检测结果无法应用于实际生产等问题，其包括分别与数据采集终端相连的采煤机数据采集平台、模拟煤壁数据采集平台、刮板输送机数据采集平台，其技术要点是：采煤机数据采集平台包括截割齿受力检测系统、滚筒转速检测系统、采煤机振动检测系统、平滑靴受力检测系统、导向滑靴受力检测系统、采煤机液压拉杆受力检测系统、滚筒扭矩检测系统；刮板输送机数据采集平台包括刮板输送机电压/电流/功率检测系统、刮板输送机振动检测系统、刮板输送机中部槽受力检测系统、刮板输送机哑铃受力检测系统、刮板输送机定位检测系统。

Description

滚筒采煤机综采成套装备力学特性的测试系统

技术领域

本发明涉及煤矿机械领域，具体地说是一种滚筒采煤机综采成套装备力学特性的测试系统。

背景技术

为保证滚筒采煤作业的顺利进行，常需要对采煤机各部件的受力情况进行实时监测与记录，并将记录结果分析后指导新型采煤机的生产制造，为此需要在采煤机的相应部位安装相应的监测装置。采煤机参数检测系统主要用于截割齿、滚筒、导向滑靴、平滑靴、刮板输送机等主要部位的检测。

采煤机截齿组件是采煤及巷道掘进机械中的易损件之一，是落煤及碎煤的主要工具。截齿在切割煤岩时周期性受到压应力、切应力以及冲击负荷的影响，常发生截齿摩擦磨损和断齿现象，如要提高截齿的使用寿命，需对截齿工作过程的受力进行测试和分析。现有的测试平台均为实验台上的模拟测试，无法获得工况下截齿的实际受力数据，因此存在一定误差，并不能直接用于指导改进截齿的生产工艺。如申请公布号为CN102941626A的发明专利申请公开了“一种截齿对岩石截割机理试验平台”，其包括基座，基座上设置石料移动导轨和刀架移动导轨，石料移动导轨上设置石料移动装置，石料移动装置包括石料台，石料台外侧通过石料台驱动丝杠连接石料台驱动电机，石料台上设置石料装夹装置，刀架移动导轨上设置刀架移动装置以及截齿驱动机构。该技术方案虽然在一定程度上逼近真实的现场工况，但是其仍旧局限在实验室环境下，并且仅是针对单一截割头的测量，控制精度仍需改进，数据可靠性仍无法满足实际需要。

平滑靴作为采煤机的主要承载件，与导向滑靴共同承担采煤机重量及滚筒截割力对机身的冲击。由于采煤机的工作环境及受力状态极为复杂，常引起平滑靴与刮板底板间发生严重的干摩擦，导致平滑靴损坏，通过检测采煤机平滑靴在实际工况下的受力状态，可为研究平滑靴的磨损和寿命预测提供依据。

导向滑靴对采煤机起到了支撑和行走导向作用，实际工作过程中受滚筒截割载荷、刮板机线路弯曲的影响，会引起导向滑靴与安装在刮板机上的销排之间产生较大冲击载荷，加之两者处于干摩擦状态，常引起导向滑靴发生底钩部分断裂、导向侧壁全部断裂、耐磨层严重磨损等事故，此外，导向滑靴的损坏还会对销排造成一定程度破坏，通过对导向滑靴的受力进行检测，能够揭示导向滑靴的受力机理，为导向滑靴的结构优化、提高使用寿命提供研究数据。

采煤机滚筒主要完成截煤和装煤任务，现有的方法通过检测电动机运行过程中的电参数，从而确定滚筒的工作扭矩。由于电参数在采煤过程中波动小，根本无法用电动机的电参数计算得到，因此采用该方法所得到的测量结果误差极大，无法用于指导实际生产。在作业过程中常遇到不同硬度的煤岩，在遇到硬度较高的煤炭、岩石时，传动系统的扭矩会突然增大，如不及时调整扭矩和转速，极易使零部件受到损坏，为避免机械传动系统工况下严重超载，往往选择安全系数(最大扭矩/额定扭矩)较高的电动机，势必提高了制造成本。

对于滚筒扭矩的测试，现有的扭矩测试方法主要分为接触式和非接触式两种。接触式扭矩传感器是在被测轴上粘贴电阻应变片或在被测轴间安装联轴器，通过应变片电阻值的变化测量扭矩；非接触式扭矩传感器一类是基于光学方法利用扭矩和扭转角关系测量，一类是基于磁学原理利用扭应力产生磁效应测量。以上扭矩测试传感器的共同点是需要对动力输出轴进行改装或在轴上安装相应工具。

刮板输送机是煤矿井下采煤重要的运输设备，在矿井恶劣的工作环境下，链条牵引刮板群推移物料时不仅会引起链条的纵向振动，还会引起刮板群的扭摆振动等问题，当刮板输送机的刮板一端发生卡链故障或者由于载荷不均等情况造成刮板扭摆振动时，常会引起链轮断裂，所以对刮板链条的扭摆振动进行检测十分重要。

授权公告号为CN101692015B的发明专利公开了一种“刮板输送机链条的张紧力测量装置”，采用力矩测试扳手形式，测量刮板输送机张紧后静止状态时链条的张力，这种测试只能检测链条静止状态下的张力，无法实现链条工况下张力检测；授权公告号为CN202575327U的实用新型专利公开了一种“刮板输送机链条监测装置”，采用链条带动刮板前移，经过带有霍尔元件的凸块，只有当刮板触碰凸块时检测链条，信号间断，无法实现实时监控检测；申请公布号为CN103771109A的发明专利申请公开了一种“刮板输送机张力检测装置”，通过刮板和固定在刮板上的横梁、张力检测系统及加速度检测系统实现工作时对刮板输送机链环张力的检测。

综采工作面井下采煤机设计需要测试煤岩截割力、采煤机与煤壁冲击力、应力波传播范围及传播速度的测量，但由于井下环境复杂，根本不可能于开采前在煤壁中安装传感器，即使不考虑资金、施工安全、施工难度的问题，在原有煤壁内增设传感器，势必会影响原有的煤壁内结构，根本无法得到准确的测量结果，为此，建立一个与实际煤壁在空间上满足1:1比例、物理性能参数与实际煤岩相同、内部按矩阵形式布置多组三向力传感器的模拟煤壁，并建立相应的数据采集、处理平台，以实现对煤壁冲击力、煤壁内应波传递、煤壁内应波传播速度、煤壁内应波传播范围等进行检测，检测结果可为采煤工艺参数确定和相关安全管理措施的制定提供指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种滚筒采煤机综采成套装备力学特性的测试系统，从根本上解决了无法检测滚筒式采煤机工况下力学特性数据的问题，其具有结构简单、使用方便、易于操控、数据检测直观、检测结果可靠等优点。

本发明的目的是这样实现的：该滚筒采煤机综采成套装备力学特性的测试系统包括与数据采集终端相连的采煤机数据采集平台、模拟煤壁数据采集平台、液压支架数据采集平台、刮板输送机数据采集平台；液压支架数据采集平台包括销轴/耳座应力检测系统、液压支架顶板载荷检测系统、推溜拉架位移检测系统、液压支架姿态监测系统、液压支架定位检测系统，其技术要点是：采煤机数据采集平台包括截割齿受力检测系统、滚筒转速检测系统、采煤机振动检测系统、平滑靴受力检测系统、导向滑靴受力检测系统、采煤机定位检测系统、摇臂和液压拉杆受力检测系统、滚筒扭矩检测系统；

截割齿受力检测系统包括截割组件、A/D转换器、数据存储器、发射模块、接收模块、显示屏等部件；其中，截割组件包括螺旋滚筒以及沿周向固定在滚筒上的截齿单元，截齿单元包括硬质合金头、卡环、齿套、齿座、卡块等零件，截齿单元通过卡块固定在滚筒的螺旋叶片上；硬质合金头末端插入齿座内，并通过外部套接卡环的齿套固定；齿座底部设有圆盘结构，圆盘底部车出直径小于圆盘的圆柱结构，圆柱结构中部铣出内接在圆柱圆形截面内的正八边形柱结构，圆柱结构下部外壁上加工位于正八边形柱各侧面中线上的导线槽，在正八边形柱的相同位置上分别间隔安装应变片和应变花；卡块为带有内腔的半封闭结构，卡块上加工一对与内腔相通的卡块销孔及导线孔，圆柱结构底部加工安装块，安装块上设有一对与卡块销孔相配合的安装块销孔，齿座底部的安装块插入卡块内腔中，并通过固定销限位，另一端通过圆盘结构限位将卡块内腔密封；应变片与应变花的导线沿导线槽向下布线，汇总后由卡块的导线孔引出与位于滚筒内的A/D转换器相连；

平滑靴受力检测系统包括支撑腿、轴套、平滑靴、压板、全桥电路、数据处理转换装置，平滑靴通过销轴铰接在支撑腿上，并通过压板将平滑靴销轴限位，销轴与平滑靴之间设有轴套，销轴为筒状结构，销轴外壁上设有两个环形槽，凹槽内各安装一应变片组，应变片组的一部分安装在销轴截面的水平方向，应变片组的令一部分安装在销轴截面的竖直方向；支撑腿内壁与销轴外壁之间、平滑靴内壁与销轴外壁之间刚好吻合，防止平滑靴销轴在轴孔内移动或转动；数据处理转换装置包括用数据处理和转换的PLC装置以及显示屏；

导向滑靴受力检测系统包括安装座、导向板、驱动齿轮、与驱动齿轮啮合的销排，安装座与导向板通过导向滑靴销轴铰接，导向滑靴销轴为五级阶梯筒状结构，销轴通过第一级和第五级限位在安装座上，通过第二级和第四级限位在导向板上，驱动齿轮通过两端的轴承限位在第三级上，各级阶梯筒状的连接处分别对应安装有位于销轴两端应变片组I～IV，应变片组I～IV的一部分安装在销轴截面的水平方向，应变片组的令一部分安装在销轴截面的竖直方向；导向滑靴销轴内限位有测力螺栓，测力螺栓一端通过螺纹连接在导向滑靴销轴内，另一端通过固定在安装座上的端板密封，导向滑靴销轴的内壁与测力螺栓的外壁之间、安装座内壁与导向板外壁之间、导向板内壁与驱动齿轮外壁之间刚好吻合，防止导向滑靴销轴在安装座的轴孔内移动或转动；采煤工作时，导向滑靴与刮板机上的销排间产生相互作用，这时导向滑靴上的各零件所受的力均作用在测力销轴上，从而使销轴产生变形，测力销轴变形的同时引起各应变片和测力螺栓变形；

滚筒扭矩检测系统包括截割电机、电机输出轴齿轮、与电机输出轴齿轮顺次啮合的主动轮I和主动轮II、与主动轮II同轴设置的主动轮III、与主动轮III顺次啮合的惰轮I～III、与惰轮III啮合的行星轮、与行星轮同轴设置的滚筒齿轮、由滚筒齿轮驱动的滚筒等部分；其中，惰轮III的转轴为销轴传感器，销轴传感器外设有轴承，轴承限位在盖板内，销轴传感器的一端通过销轴定位螺杆限位在盖板上；

刮板输送机数据采集平台包括链条受力检测系统、刮板链条速度检测系统、刮板输送机电压/电流/功率检测系统、刮板输送机振动检测系统、刮板输送机中部槽受力检测系统、刮板输送机哑铃受力检测系统、刮板输送机定位检测系统；刮板输送机振动检测系统包括刮板、固定于刮板底部的检测挡板、固定在刮板内的扭摆振动检测装置、通过螺栓和螺母固定在刮板上的横梁，刮板内设有若干链环槽，链环槽内设有张力检测装置，刮板两端的底部分别设有凹槽；扭摆振动检测装置包括壳体、固定在壳体上的检测挡板，检测挡板内限位有三轴加速度传感器，壳体内限位有与三轴加速度传感器输出端相连的加速度采集模块，检测挡板上设有与加速度采集模块数据传输口、充电孔相对应的空槽，以便检测装置充电和数据传输下载，空槽上设有铰接与检测底板上的密封塞；通过螺栓固定检测挡板将扭摆振动检测装置固定在刮板侧面的两端；无线加速度采集模块外部留有一数据传输口。

所述模拟煤壁数据采集平台包括位于模拟煤壁顶部的压板、用于驱动压板的液压缸、呈矩阵式分布在模拟煤壁内的三向内应力传感器，模拟煤壁为根据煤矿井下煤岩硬度浇筑而成的煤岩混合物。

本发明的测试系统通过采煤机各部分传感单元的联动，准确测量了成套装备各测试设备的真实力学特性数据。该测试系统不但可用于工况下采煤机相关参数的实时监测，而且配合模拟煤壁数据采集平台可在井上模拟井下复杂的作业环境。为生产厂家在研发滚筒采煤机综采成套装备过程中，提供发数据参考和理论指导。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明滚筒的外观结构示意图；

图3为本发明截割组件的爆炸结构示意图；

图4为本发明截割头的信号传输原理示意图；

图5为本发明截割头部分信号传输电路的结构示意图；

图6为本发明平滑靴组件的剖视结构示意图；

图7为本发明平滑靴组件的主视结构示意图；

图8为本发明平滑靴销轴的受力方向示意图；

图9为本发明平滑靴销轴的主视结构示意图；

图10为本发明导向滑靴组件的剖视结构示意图；

图11为本发明导向滑靴组件的主视结构示意图；

图12为本发明导向滑靴销轴的受力方向示意图；

图13为本发明导向滑靴销轴的主视结构示意图；

图14为本发明导向滑靴销轴X方向标定时的支点及作用力位置示意图；

图15为本发明导向滑靴销轴实测时的作用力位置示意图；

图16为本发明截割传动系统的结构示意图；

图17为本发明惰轮轴传感器的受力示例图；

图18为本发明刮板组件的剖视结构示意图；

图19为本发明扭摆振动检测装置的装配结构示意图；

图20为模拟煤壁内的传感器分布位置示意图；

图21为模拟煤壁的主视结构示意图。

附图标记说明：1滚筒、2截齿单元、3螺旋叶片、4硬质合金头、5卡环、6齿套、7齿座、8应变花、9应变片、10导线槽、11安装块销孔、12固定销、13卡块销孔、14导线孔、15卡块、16安装块、17发射模块、18接收模块、19显示屏、20电源模块、21A/D转换器、22数据存储器、23支撑腿、24轴套、25平滑靴销轴、26压板、27平滑靴、28环形槽、29应变片组、30安装座、31驱动齿轮、32轴承、33导向板、34销排、35端板、36测力螺栓、37导向滑靴销轴、38应变片组I、39应变片组II、40应变片组III、41应变片组IV、42截割电机、43电机输出轴齿轮、44主动轮I、45主动轮II、46主动轮III、47惰轮I、48惰轮II、49惰轮III、50滚筒齿轮、51行星轮、52轴承、53销轴传感器、54惰轮轴定位螺杆、55盖板、56螺栓、57螺母、58链环槽、59张力检测装置、60刮板、61横梁、62扭摆振动检测装置、63检测挡板、64三轴加速度传感器、65充电孔、66数据传输口、67密封塞、68空槽、69加速度采集模块、70三向内应力传感器、71模拟煤壁、72压板、73液压缸、74右压板、75右液压缸、76左压板、77左液压缸、78左底板、79左滑座、80左支撑板、81右底板、82右滑座、83右支撑板、84右拉移油缸、85上支撑板、86左拉移油缸、87数据处理与显示单元。

具体实施方式

以下结合图1～21，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该滚筒采煤机综采成套装备力学特性的测试系统包括分别与数据采集终端相连的采煤机数据采集平台、模拟煤壁数据采集平台、液压支架数据采集平台、刮板输送机数据采集平台。

其中，采煤机数据采集平台包括截割齿受力检测系统、滚筒转速检测系统、采煤机振动检测系统、平滑靴受力检测系统、导向滑靴受力检测系统、采煤机定位检测系统、采煤机液压拉杆受力检测系统、滚筒扭矩检测系统。

模拟煤壁数据采集平台包括煤壁冲击力检测系统、煤壁内应波传递检测系统、煤壁内应波传播速度检测系统、煤壁内应波传播范围检测系统。

液压支架数据采集平台包括销轴/耳座应力检测系统、液压支架顶板载荷检测系统、推溜拉架位移检测系统、液压支架姿态监测系统、液压支架定位检测系统。

刮板输送机数据采集平台包括链条受力检测系统、刮板链条速度检测系统、刮板输送机电压/电流/功率检测系统、刮板输送机振动检测系统、刮板输送机中部槽受力检测系统、刮板输送机哑铃受力检测系统、刮板输送机定位检测系统。

1)截割齿受力检测系统

该系统包括截割组件、A/D转换器、数据存储器、发射模块17、接收模块18、显示屏19等部件。其中，截割组件包括螺旋滚筒1以及沿周向固定在滚筒1上的截齿单元2，截齿单元包括硬质合金头4、卡环5、齿套6、齿座7、卡块14等部件，截齿单元通过卡块固定在滚筒1的螺旋叶片3上。硬质合金头末端插入齿座内，并通过外部套接卡环的齿套固定。齿座底部设有圆盘结构，圆盘底部车出直径小于圆盘的圆柱结构，圆柱结构中部铣出内接在圆柱圆形截面内的正八边形柱结构，圆柱结构下部外壁上加工位于正八边形柱各侧面中线上的导线槽10，在正八边形柱的相同位置上分别间隔安装应变片9和应变花8。卡块15为带有内腔(图中角度未示出)的半封闭结构，卡块15上加工一对与内腔相通的卡块销孔13及导线孔14，圆柱结构底部加工安装块16，安装块16上设有一对与卡块销孔13相配合的安装块销孔11，齿座底部的安装块16插入卡块15内腔中，并通过固定销15限位，另一端通过圆盘结构限位将卡块内腔密封。应变片9与应变花8的导线沿导线槽10向下布线，汇总后由卡块14的导线孔16引出与位于滚筒内的A/D转换器相连。

电源模块20的正负极通过导线分别与A/D转换器21、数据存储器22、发射模块17的正负极相连，为A/D转换器21供电、数据存储器22供电、发射模块供电。电源模块20的正极通过导线与应变片9或应变花8(图中未示出，其连接关系同应变片)的正极相连，应变片23或应变花的负极通过导线与A/D转换器21的信号输入端负极相连，A/D转换器21的信号输入端正极与电源模块20的负极相连，此回路构成了三向力检测的模拟量采集回路。A/D转换器21的信号输出端正极通过导线与数据存储器22的信号输入端正极相连，A/D转换器21的信号输出端负极通过导线与数据存储器22的信号输入端负极相连，此回路通过A/D转换器21得到的三向力测量值实时存储到数据存储器22中，数据存储器22的信号输出端正极通过导线与发射模块的信号输入端正极相连，数据存储器22的信号输出端负极通过导线与发射模块的信号输入端负极相连，此回路将数据存储器22中的三向力测量值实时传输至位于机房内的信号接收模块，实现远程接收数据。

由于应变片与应变花密封在卡块内，无需担心恶劣的工况环境对测量精度造成影响，提高了测量精确度，同时防止测力原件的损坏，将维护费用降到最低。在滚筒内安装的数据处理与发射模块对得到的信息进行加工。为了能够正确的测出截齿的力学特性，齿座连接部的圆柱面和与滚筒的卡块留有缝隙，不与卡块接触；连接部的尾端加工成方形并与卡块配合，并在尾端的方柱侧面加工有通孔，可以起到连接作用。此装置直接封装在滚筒的卡块内部，可以防止井下恶劣的环境对装置造成的破坏。无需改变截齿切削部分的结构，无需改变截齿与齿座之间的连接方式。与普通截齿的安装方式相同，也为提高采煤机的生产效率和保障采煤作业的安全提供了有力的保障。

工作时，滚筒随着采煤机的主轴转动，截齿截割煤岩时受力产生应变，带动截齿座圆柱结构产生应变，固定在正八边形柱形结构的应变片及应变花随之产生应变，应变片及应变花变形后电阻发生变化，产生相应的电信号，信号经A/D转换器将模拟量转换为对应的三向力数字量储到数据存储器中，存储在数据存储器中的信息通过发射模块发送至机房内的接收模块，经计算机数据处理后实时反映在显示屏上，可在不改变截齿实际工作条件的情况下测量出截齿实际工况下的力学特性，并能全部记录或实时传回到计算机上，在采煤机工作状态下实时精确地测量截齿在截割煤岩过程中三向受力情况，测量方法简便，结果可靠，适应性强，应用该测量方法的测量装置安装操作方便，结果真实可靠，测量成本低。

2)平滑靴受力检测系统

该系统包括支撑腿23、轴套24、平滑靴27、压板26、全桥电路、数据处理转换装置，平滑靴27通过销轴4铰接在支撑腿23上，并通过压板26将平滑靴销轴25限位，销轴与平滑靴之间设有轴套24，销轴4为筒状结构，销轴外壁上设有两个环形槽28，凹槽内各安装一应变片组29，应变片组的一部分安装在销轴截面的水平方向，应变片组的令一部分安装在销轴截面的竖直方向。支撑腿内壁与销轴外壁之间、平滑靴内壁与销轴外壁之间刚好吻合，防止平滑靴销轴25在轴孔内移动或转动。数据处理转换装置包括用数据处理和转换的PLC装置以及显示屏。

该采煤机平滑靴力学特性的测试方法包括以下步骤：

1)使用全桥连接方式，在空载的情况下，记录各个应变片的初始应变大小；

2)分别对采煤机平滑靴的Y向和Z向施加10000N，20000N，30000N，40000N的固定载荷，并记录下相对应变值(即实际应变值减去初始应变值)

3)运用数学分析软件计算出加载值与应变值的关系式，最后将关系式输入到PLC中。

4)将标定好的销轴安装到平滑靴上，工况下，应变片经过全桥电路，将应变大小传输到PLC中，经PLC中程序处理成平滑靴Y向和Z向受力大小，并在屏幕上实时显示，Fy方向受力信号为Sy，Fz方向受力信号为Sz。

3)导向滑靴受力检测系统

该系统包括安装座30、导向板33、驱动齿轮31、与驱动齿轮啮合的销排，安装座30与导向板33通过导向滑靴销轴37铰接，导向滑靴销轴37为五级阶梯筒状结构(轴径最小端为一级)，销轴通过第一级和第五级限位在安装座上，通过第二级和第四级限位在导向板上，驱动齿轮31通过两端的轴承32限位在第三级上，各级阶梯筒状的连接处分别对应安装有位于销轴两端应变片组I～IV 39～41，应变片组I～IV的一部分安装在销轴截面的水平方向，应变片组的令一部分安装在销轴截面的竖直方向，导向滑靴销轴37内限位有测力螺栓36，测力螺栓36一端通过螺纹连接在导向滑靴销轴37内，另一端通过固定在安装座30上的端板35密封，导向滑靴销轴37的内壁与测力螺栓36的外壁之间、安装座内壁与导向板外壁之间、导向板内壁与驱动齿轮外壁之间刚好吻合，防止导向滑靴销轴37在安装座30的轴孔内移动或转动。采煤工作时，导向滑靴与刮板机上的销排34间产生相互作用，这时导向滑靴上的各零件所受的力均作用在测力销轴上，从而使销轴产生变形，测力销轴变形的同时引起各应变片和测力螺栓变形。

该采煤机导向滑靴力学特性的测试方法包括以下步骤：

1)对测力销轴的X方向标定：一级中部为支点1，二级中部为支点2，四级中部为支点3，五级中部为支点4；F1与支点2位置相对，F2和F3位于销轴第三级的两端，F4与支点3位置相对。

a)固定支点1，向F1分别施加0、10、20、30、40吨力，记录对应不同F1下应变片组1的应变值T1；

b)固定支点2，向F2分别施加0、10、20、30、40吨力，记录对应不同F2下应变片组2的应变值T2；

c)固定支点3，向F3分别施加0、10、20、30、40吨力，记录对应不同F3下应变片组3的应变值T3；

d)固定支点4，向F4分别施加0、10、20、30、40吨力，记录对应不同F4下应变片组4的应变值T4；

e)然后对标定的数据进行分析和拟合，得到每个应变片组单位应变值与外部施力之间的关系：FC1＝31.8016×T1-0.0115；FC2＝34.6444×T2-0.5656；FC3＝35.0556×T3-0.4283；FC4＝25.2937×T4-0.1059。

2)采用X方向相同的方法对销轴的Y方向标定：记录不同F1～F4下应变片组1～4的应变值M1～M4，得到FM1＝31.3193×M1+0.0665；FM2＝35.1973×M2-0.6587；FM3＝36.6102×M3-0.4863；FM4＝31.8852×M4-0.0718。

3)安装座左侧板与测力销轴间的相互作用力为RX1、RY1；安装座右侧板与测力销轴间的相互作用力为RX2、RY2；导向板左侧与测力销轴间的相互作用力为FX1、FY1；驱动轮左侧与测力销轴间的相互作用力为FX2、FY2；驱动轮左侧与测力销轴间的相互作用力为FX3、FY3；导向板右侧与测力销轴间的相互作用力为FX4、FY4，则：

RX1＝[FC2×b+FC1×(a+b)]/b；RX2＝[FC3×d+FC4×(d+e)]/d；

RY1＝[FM2×b+FM1×(a+b)]/b；RY2＝[FM3×d+FM4×(d+e)]/d；

FX1＝FC1；FX2＝[RX1×(b+c)+FY4×(d+e)-FX1×(a+b+c)–RX2×d]/(b+c)；

FX3＝RX1+RX2-FX1-FX2-FX4；FX4＝FC4；

FY1＝FM1；FY2＝[RY1×(b+c)+FM4×(d+e)-FY1×(a+b+c)–RY2×d]/(b+c)；

FY3＝RY1+RY2-FY1-FY2-FY4；FY4＝FM4。

式中的a、b、c、d、e表示各力间的距离，如图14所示。

导向滑靴工作过程中，沿测力导向滑靴销轴37的轴向力可由安装在测力导向滑靴销轴37内的测力螺栓测出。能够准确有效测量采煤机工作过程中导向滑靴的受力特性，为导向滑靴的结构优化提供依据，对提高采煤机的可靠性和使用寿命具有实际意义。

4)滚筒扭矩检测系统

该系统包括截割电机42、电机输出轴齿轮43、与电机输出轴齿轮43顺次啮合的主动轮I 44和主动轮II 45、与主动轮II 45同轴设置的主动轮III 46、与主动轮III 46顺次啮合的惰轮I～III 47～49、与惰轮III 49啮合的行星轮51、与行星轮51同轴设置的滚筒齿轮50、由滚筒齿轮50驱动的滚筒等部分。其中，惰轮III 49(与滚筒的行星轮51相邻)的转轴为销轴传感器53，销轴传感器53外设有轴承52，轴承52限位在盖板55内，销轴传感器53的一端通过销轴定位螺杆54限位在盖板55上。

销轴传感器受剪力作用，分析可得，(1)F_t＝F_t1+F_t2；(2)F_t＝F_r1-F_r2；(3)F_t1＝T/d。F_t为周向合力，F_r为径向合力，F_t1和F_t2为惰轮III所受圆周力，F_r1和F_r2为惰轮III所受径向力，T为惰轮III所受扭矩，d为惰轮III的直径。

通过对销轴传感器采集到两个方向的受力数据F_t(Y方向)、F_r(X方向)，其中F_t1和F_t2为惰轮III所受圆周力，其中F_t1为惰轮II48作用给惰轮III 49的力，F_t2为行星轮51反作用给惰轮III 49的力，采煤机截割过程中F_t1和F_t2两个力大小相等方向相同，由公式(1)得到周向力F_t1＝F_t2＝F_t/2，由公式(2)得到径向合力F_r因为如图17，F_r1向右，F_r2向左，F_r1和F_r2同时作用于轴心，方向相反，且大小相等，即F_r1＝F_r2，所以F_r＝0，由公式(3)得到实际扭矩T，即F_t1＝2T/d，即扭矩T＝F_t·d/2。)

近滚筒侧惰轮III的销轴传感器与惰轮轴外形相近，并且满足强度等力学要求。销轴传感器具有径向测力功能，根据销轴传感器对径向力的测量，结合惰轮转速实现惰轮扭矩的测量，在通过减速比计算得到滚筒的扭矩。从而避免了传统方法通过检测电机电流波动测定扭矩方法中的误差，有效排除了外界因素的干扰，实时监测滚筒工况下的瞬态输出扭矩和转速，一旦出现扭矩发生异常情况，便迅速调整工作状态，避免损坏传动系统，对于提高滚筒式采煤机运转可靠性和保护主传动系统具有重要意义。

5)刮板输送机振动检测系统

该系统包括刮板60、固定于刮板底部的检测挡板63、固定在刮板内的扭摆振动检测装置62、通过螺栓56和螺母57固定在刮板60上的横梁61，刮板内设有若干链环槽58，链环槽内设有张力检测装置59(带有应变片的链环)，刮板两端的底部分别设有凹槽。扭摆振动检测装置62包括壳体、固定在壳体上的检测挡板63，检测挡板内限位有三轴加速度传感器64，壳体内限位有与三轴加速度传感器64输出端相连的加速度采集模块69，检测挡板上设有与加速度采集模块69数据传输口66、充电孔65相对应的空槽68，以便检测装置充电和数据传输下载，空槽68上设有铰接与检测底板上的密封塞67。当测试过程中或不使用时，用密封塞67将其塞住，当需要将数据进行传输时，将密封塞67打开，进行数据传输。通过螺栓固定检测挡板63将扭摆振动检测装置62固定在刮板60侧面的两端。无线加速度采集模块69外部留有一数据传输口66，当测试过程中或不使用时，用防水防尘塞44将其塞住，当需要传输数据，将密封塞67打开，进行数据传输。刮板60、横梁61及链环(张力检测装置59)采用的均是型号为SGW-250型刮板输送机的刮板、横梁及链环。

该刮板输送机扭摆振动的检测方法包括以下步骤：

a)通过充电孔46为加速度采集模块69充电，将无线采集模块参数设置的数据通过数据传输口66下载到加速度采集模块69中。

b)当刮板输送机运行时刮板链产生扭摆振动，由无线加速度采集模块69为三轴加速度传感器64提供电源，三轴加速度传感器64检测到刮板链产生振动加速度信号；

c)三轴加速度传感器64将检测到的加速度信号按规律变换成电信号输出；

d)无线加速度采集模块69采集到三轴加速度传感器64发出的信号后，存储数据；

e)无线加速度采集模块69通过无线传输的方式，将数据传输至无线网关，并统一在采集终端接收信号与其他被测数据一同显示在显示屏上。

该刮板测试装置结构简单、使用安全可靠、并可实现实时检测，以便及时监测出刮板链发生扭摆振动时对刮板输送机的影响，三轴加速度传感器与无线加速度采集模块主要应用于有线传输信号距离远受干扰严重、布线繁琐等实验现场动态应变测量，在实验过程中实验人员可以远离实验现场，保证了实验的高效安全。

实时、精确地检测井下刮板输送机工作时刮板链扭摆振动特性的变化，并存储测试得到的数据。

6)模拟煤壁数据采集平台

该模拟平台包括压板72、液压缸73、呈矩阵式分布的三向内应力传感器70、右压板74、右液压缸75、左压板76、左液压缸77、左底板78、左滑座79、左支撑板80、右底板81、右滑座82、右支撑板83、右拉移油缸84、上支撑板85、左拉移油缸86。模拟煤壁71为根据煤矿井下煤岩硬度浇筑而成的煤岩混合物，左底板78、右底板81和上支撑板85固定在地面上，右压板74通过右液压缸75压在煤壁71的右侧，右液压缸75安装在右支撑板83上，右支撑板83安装在右滑座82上，右拉移油缸84连接于右支撑板83和右底板74之间，右滑座82与右底板74之间为滑动连接，左压板78通过左液压缸77压在煤壁71的左侧，左液压缸77安装在左支撑板80上，左支撑板80安装在左滑座79上，左拉移油缸86连接于左支撑板80和左底板78之间，左滑座79与左底板78之间为滑动连接，上支撑板85的下端连接液压缸73，液压缸73的下端连接压板72，压板72压在煤壁71的上端。浇筑采用由已经开采下的未进行筛分的煤岩混合物，通过逐层浇筑得到模拟煤壁。第一层浇筑完成，放置一段时间后(保证煤壁仍有一定柔软度)将传感器呈矩阵式安装在该层上方，待混合物形成坚硬的煤壁后，进行下一层浇筑，以此类推完成整个煤壁的制备。从而模拟煤矿所在地的井下煤层环境，进而减小误差，液压缸73作用于压板72上、右液压缸75作用于右压板74上、左液压缸76作用于左压板77上可对模拟煤壁进行加压，用以模拟煤层上方的土层负载，三向内应力传感器70呈矩阵式分布于模拟煤壁71内，各三向内应力传感器70均可检测三个方向受力情况，并在数据处理与显示单元87中显示，实现采煤装备采煤过程中的模拟煤壁内应力的检测，采煤机截割一个步距循环后，左、右拉移油缸缩回一个步距的位移，将煤壁两侧让开，使采煤机能够直接截割到煤岩的最左端和最右端。通过改变压力、流量设定，即可以低成本重复模拟不同井上土层与井下煤层的环境。

在实验台上即可建立不同硬度的模拟煤壁模型，三向内应力传感器可反映采煤机在截割煤的过程中对煤壁的冲击以及截割过程中应力波的传递情况，主要监测参数如应力波的传播范围、应力波的传播速度，既而模拟井下环境采煤机与煤壁之间的力学关系。为煤炭生产厂家在采煤过程中，提供数据参考和理论指导，根据数据选择最佳的截割头材质和采煤工艺参数，做好提前支护等保护工作，为采煤作业提供技术支持，进而提高采煤效率，降低采煤机的维护成本。

Claims (1)

1.一种滚筒采煤机综采成套装备力学特性的测试系统，包括分别与数据采集终端相连的采煤机数据采集平台、模拟煤壁数据采集平台、液压支架数据采集平台、刮板输送机数据采集平台；液压支架数据采集平台包括销轴/耳座应力检测系统、液压支架顶板载荷检测系统、推溜拉架位移检测系统、液压支架姿态监测系统、液压支架定位检测系统，其特征在于：采煤机数据采集平台包括截割齿受力检测系统、滚筒转速检测系统、采煤机振动检测系统、平滑靴受力检测系统、导向滑靴受力检测系统、采煤机定位检测系统、采煤机液压拉杆受力检测系统、滚筒扭矩检测系统；

截割齿受力检测系统包括截割组件、A/D转换器、数据存储器、发射模块、接收模块、显示屏；其中，截割组件包括螺旋滚筒以及沿周向固定在滚筒上的截齿单元，截齿单元包括硬质合金头、卡环、齿套、齿座、卡块，截齿单元通过卡块固定在滚筒的螺旋叶片上；硬质合金头末端插入齿座内，并通过外部套接卡环的齿套固定；齿座底部设有圆盘结构，圆盘底部车出直径小于圆盘的圆柱结构，圆柱结构中部铣出内接在圆柱圆形截面内的正八边形柱结构，圆柱结构下部外壁上加工位于正八边形柱各侧面中线上的导线槽，在正八边形柱的相同位置上分别间隔安装应变片和应变花；卡块为带有内腔的半封闭结构，卡块上加工一对与内腔相通的卡块销孔及导线孔，圆柱结构底部加工安装块，安装块上设有一对与卡块销孔相配合的安装块销孔，齿座底部的安装块插入卡块内腔中，并通过固定销限位，另一端通过圆盘结构限位将卡块内腔密封；应变片与应变花的导线沿导线槽向下布线，汇总后由卡块的导线孔引出与位于滚筒内的A/D转换器相连；

平滑靴受力检测系统包括支撑腿、轴套、平滑靴、压板、全桥电路、数据处理转换装置，平滑靴通过销轴铰接在支撑腿上，并通过压板将平滑靴销轴限位，销轴与平滑靴之间设有轴套，销轴为筒状结构，销轴外壁上设有两个环形槽，凹槽内各安装一应变片组；应变片组一部分安装在销轴截面的水平方向，应变片组的另一部分安装在销轴截面的竖直方向；支撑腿内壁与销轴外壁之间、平滑靴内壁与销轴外壁之间刚好吻合，防止平滑靴销轴在轴孔内移动或转动；数据处理转换装置包括用于数据处理和转换的PLC装置以及显示屏；

导向滑靴受力检测系统包括安装座、导向板、驱动齿轮、与驱动齿轮啮合的销排，安装座与导向板通过导向滑靴销轴铰接，导向滑靴销轴为五级阶梯筒状结构，销轴通过第一级和第五级限位在安装座上，通过第二级和第四级限位在导向板上，驱动齿轮通过两端的轴承限位在第三级上，各级阶梯筒状的连接处分别对应安装有位于销轴两端应变片组I～IV，应变片组I～IV的一部分安装在销轴截面的水平方向，应变片组的另一部分安装在销轴截面的竖直方向，导向滑靴销轴内限位有测力螺栓，测力螺栓一端螺合在导向滑靴销轴内，另一端通过固定在安装座上的端板密封，导向滑靴销轴的内壁与测力螺栓的外壁之间、安装座内壁与导向板外壁之间、导向板内壁与驱动齿轮外壁之间刚好吻合，防止导向滑靴销轴在安装座的轴孔内移动或转动；

滚筒扭矩检测系统包括截割电机、电机输出轴齿轮、与电机输出轴齿轮顺次啮合的主动轮I和主动轮II、与主动轮II同轴设置的主动轮III、与主动轮III顺次啮合的惰轮I～III、与惰轮III啮合的行星轮、与行星轮同轴设置的滚筒齿轮、由滚筒齿轮驱动的滚筒；其中，惰轮III的转轴为销轴传感器，销轴传感器外设有轴承，轴承限位在盖板内，销轴传感器的一端通过销轴定位螺杆限位在盖板上；

刮板输送机数据采集平台包括链条受力检测系统、刮板链条速度检测系统、刮板输送机电压/电流/功率检测系统、刮板输送机振动检测系统、刮板输送机中部槽受力检测系统、刮板输送机哑铃受力检测系统、刮板输送机定位检测系统；刮板输送机振动检测系统包括刮板、固定于刮板底部的检测挡板、固定在刮板内的扭摆振动检测装置、通过螺栓和螺母固定在刮板上的横梁，刮板内设有若干链环槽，链环槽内设有张力检测装置，刮板两端的底部分别设有凹槽；扭摆振动检测装置包括壳体、固定在壳体上的检测挡板，检测挡板内限位有三轴加速度传感器，壳体内限位有与三轴加速度传感器输出端相连的加速度采集模块，检测挡板上设有与加速度采集模块数据传输口、充电孔相对应的空槽，以便检测装置充电和数据传输下载，空槽上设有铰接于检测底板上的密封塞；通过螺栓固定检测挡板将扭摆振动检测装置固定在刮板侧面的两端；无线加速度采集模块外部留有一数据传输口；

模拟煤壁数据采集平台包括位于模拟煤壁顶部的压板、用于驱动压板的液压缸、呈矩阵式分布在模拟煤壁内的三向内应力传感器，模拟煤壁为根据煤矿井下煤岩硬度浇筑而成的煤岩混合物。