CN104833496B - 刨煤机刨刀力学特性在线测试系统 - Google Patents

Abstract

一种刨煤机刨刀力学特性在线测试系统，从根本上解决了无法检测刨煤机工况下力学特性数据的问题，其技术要点是：所述刨煤机刀头包括刀座、设置在刀座前端的硬质合金刀头、装配在刀座上的保护罩以及设置在刀座底部的刀杆，刀座中部设有方孔，振动传感器通过强磁底座放置在方孔中；刀座的尾部与刀杆之间设有缝隙；方孔与刀座前端为四方体柱，在其四面加工应变片槽，并在应变片槽的内分别安装应变片I～III；方孔前内壁上安装应变片III；保护罩为带有钩形结构的U形壳体，通过刀座前部嵌于刀座外壁上，其钩形结构卡在刀座后部，并用沉头螺钉紧固。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。

Description

刨煤机刨刀力学特性在线测试系统

技术领域

本发明涉及煤矿机械领域，具体地说是一种刨煤机刨刀力学特性在线测试系统。

背景技术

随着我国经济社会的快速发展，对煤炭资源的需求量也越来越大，许多薄煤层煤炭资源之前由于各种原因未能进行有效利用。而在煤炭资源日渐珍贵的今天，薄煤层煤炭资源的有效利用就成为了煤炭企业增产增效、国家资源有效利用的利国利民的必经之路。

刨煤机工作面可实现薄煤层、极薄煤层的机械化采煤，工人不必跟机操作，可在顺槽进行控制，对薄煤层、极薄煤层采煤机械化和实现遥控控制具有重要意义。

刨刀是刨煤机的常用易损配件，通常是由热锻压的齿体和硬质合金组成并通过钎焊连接。刨刀与煤层直接接触,煤层对刨刀的前、后刀面都会产生强烈的摩擦。由于煤层截割属脆性、断续切削,刨刀所受的截割力是高频、间断或周期性的。硬质合金刀头和焊接区在高频、交变截割力的作用下极易损坏。特别是当刨刀遇到煤层中的硬夹石和矸石时,截割力会急剧增加，造成刀头崩刃、脱落、刀杆折断等刨刀过早失效现象，严重影响了刨刀的寿命及刨煤机的采煤效率。因此，精确测量刨刀工况下的受力情况可估算刨刀在不同工作环境下的使用寿命，并以此为依据设计新型刨刀。

申请号为CN201120351157.6的中国专利“一种刨煤机刨头位置监测控制装置”，通过分别安装于工作面端头的刨头位置监测主控制器和安装于工作面端尾的刨头位置监测辅助控制器对刨头位置的实时监测。然而目前还没有一个直观的，对硬质合金刀头工作时受到的三向力、振动加速度值以及温度变化值实时监测的装置，针对硬质合金刀头实时三向力、振动加速度值以及温度变化值的测试技术我国还属科研空白。

此外，井下采煤作业过程通常会涉及到煤壁垮落范围、采煤机与煤壁冲击力、应力波传播范围及传播速度的测量等参数，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，亟需一种煤矿井下环境的煤壁模型。

目前，对于刨煤机综采装备的力学特性测试手段仍停留在局部测试和模拟测试阶段，由于成套装备力学特性测试设备系统庞大，需要的资金数额巨大，目前尚无完善的测试方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种刨煤机刨刀力学特性在线测试系统，从根本上解决了无法检测刨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：该刨煤机刨刀力学特性在线测试系统包括刨煤机刀头、与刨煤机刀头的信号输出端相连的检测单元，其技术要点是：所述刨煤机刀头包括刀座、设置在刀座前端的硬质合金刀头、装配在刀座上的保护罩以及设置在刀座底部的刀杆，刀座中部设有方孔，振动传感器通过强磁底座放置在方孔中；刀座的尾部与刀杆之间设有缝隙；方孔与刀座前端为四方体柱，在其四面加工应变片槽，并在左右两侧应变片槽的相对应的角上开通导线孔；刀座上设有一直延伸到刀杆背部的导线槽，刀座前部安装应变片I；与方孔同高度的刀座左右两侧外壁上安装应变片II；方孔前内壁上安装应变片III；保护罩为带有钩形结构的U形壳体，通过刀座前部嵌于刀座外壁上，其钩形结构卡在刀座后部，并用沉头螺钉紧固。

所述刨煤机刨刀力学特性在线测试系统，还包括模拟煤壁数据采集平台，其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。

可全面测试刨煤机综采成套装备力学特性测试方法，系统检测实时性好，并且可真实地测试刨煤机综采成套装备各个设备在实验过程中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为本发明刨刀的主视结构示意图；

图3为本发明刨刀的外观结构示意图；

图4为本发明刨刀的俯视结构示意图；

图5为本发明保护罩的安装位置结构示意图；

图6为本发明刨刀与检测模块的连接关系示意图；

图7为本发明刨刀的透视结构示意图；

图8为本发明刨刀检测装置的电路原理结构示意图；

图9为本发明刨链拉力检测系统的结构示意图；

图10为本发明刮板组件的剖视结构示意图；

图11为本发明扭摆振动检测装置的装配结构示意图；

图12为模拟煤壁内的传感器分布位置示意图；

图13为模拟煤壁的主视结构示意图。

附图标记说明：1硬质合金刀头、2导线孔、3导线槽、4应变片III、5应变片II、6应变片I、7应变片II、8保护罩、9刀座、10刀杆、11检测单元、12温度传感器、13振动传感器、14应变片、15A/D转换器、16数据存储器、17信号发射装置、18电源、19温度传感器导线孔、20贯穿孔I、21方孔、22贯穿孔II、23变速箱、24转速传感器、25左感应板、26中部槽、27刨头前侧链条张力传感器、28左位置传感器、29三向加速度传感器、30刨头、31刨头后侧链条张力传感器、32松边链条张紧传感器I、33松边链条张紧传感器II、34右感应板、35右位置传感器、36螺栓、37螺母、38链环槽、39张力检测装置、40刮板、41横梁、42扭摆振动检测装置、43检测挡板、44三轴加速度传感器、45充电孔、46密封塞、47数据传输口、48空槽、49加速度采集模块、50三向内应力传感器、51模拟煤壁、52压板、53液压缸、54右压板、55右液压缸、56左压板、57左液压缸、58左底板、59左滑座、60左支撑板、61右底板、62右滑座、63右支撑板、64右拉移油缸、65上支撑板、66左拉移油缸、67数据处理与显示单元。

具体实施方式

以下结合图1～13，通过实施例详细说明本发明的具体内容。该刨煤机综采成套力学特性的测试系统包括分别与数据采集终端相连的刨煤机数据采集平台、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，刨煤机数据采集平台包括刨刀应力检测系统、刨刀速度检测系统、刨刀振动检测系统、刨煤机定位检测系统、刨头振动检测系统、刨链拉力检测系统；

分别用于监测刨刀，机身和刨链在工况下的应力参数、振动参数和位置信息，向刨煤机数据采集平台实时发送，数据采集平台将采集的参数信息进行存储，并发送至数据采集终端计算机。

模拟煤壁数据采集平台包括煤壁冲击力检测系统、煤壁内应力波传递检测系统、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。

用于模拟井下煤壁内应力测试系统对实验截割过程中煤壁各项参数的变化分别进行监测和记录，并发送至数据采集终端计算机。

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。

分别用于监测液压支架在实验支护过程中的受载情况，以及对液压支架姿态进行监测，各部分系统可以将支护过程中的载荷数据实时传送至液压支架数据采集平台，通过该平台进行储存并发送至数据采集终端计算机。

液压支架数据传输系统其特征在于通过在液压支架销轴、耳座，顶板，推移液压缸等位置安装位移传感器，将前述各部分的位移参数传送到液压支架数据采集平台，最终传送到数据采集终端计算机，通过数据采集终端计算机计算获得液压支架姿态及受载情况。

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。

分别用于监测工作过程中刮板输送机各部分的运行状态以及受载情况，前述各部分检测系统将监测数据实时传送至刮板输送机数据采集平台，并通过该平台进行监测数据存储和发送，最终发送至数据采集终端计算机。

1)刨煤机刨刀力学特性在线测试系统

该系统包括刨刀应力检测系统、刨刀速度检测系统、刨刀振动检测系统、刨煤机定位检测系统、刨头振动检测系统、刨链拉力检测系统。

其中，刨刀应力检测系统包括刨煤机刀头、检测单元11，刨煤机刀头包括刀座9、设置在刀座9前端的硬质合金刀头1、装配在刀座9上的保护罩8以及设置在刀座9底部的刀杆10，刀座9中部设有方孔21，振动传感器13通过强磁底座放置在方孔21中，用于测量刨刀在工作时的振动加速度。刀座的尾部与刀杆之间设有缝隙，保证刀座尾部呈悬空状态。

方孔21与刀座前端为四方体柱，在其四面加工尺寸为25mm×15mm×4mm的应变片槽用于安装应变片I～III，并在左右两侧应变片槽的相对应的角上开通直径为5mm的导线孔2。刀座上设有一直延伸到刀杆10背部的导线槽3，刀座9前部安装应变片I 6，方孔21与刀座前端之间设置贯穿孔I 20。与方孔21同高度的刀座9左右两侧外壁上安装应变片II(5、7)，刀座中部设有与贯穿孔I 20相垂直的贯穿孔II 22(或导线孔2)。贯穿孔II 22、贯穿孔I20用于将应变片III 4的导线穿过通孔汇集在导线槽3一侧。方孔21前内壁上安装应变片III 4(便于手工贴合应变片III 4)，刀座9顶部安装温度传感器12，用于实时精确测量刨刀温度变化，贯穿孔I 20与刀座9顶部之间设置温度传感器导线孔19，用于将温度传感器导线引入导线槽3。导线槽3的设计极大方便了线路的布置，刀座9上的导线孔相互连通，也方便了线路的引出，避免了线路的凌乱及对刨刀检测装置的干扰，提高了测量准确度，降低了装配难度。各应变片以及传感器的导线汇总后沿导线槽3引出通到刀杆10的尾部。保护罩为带有钩形结构的U形壳体，通过刀座前部嵌于刀座外壁上，其钩形结构卡在刀座后部，并用沉头螺钉紧固，实现限位。通过保护罩将应变片与导线槽3全封闭。

检测单元11包括电源18、A/D转换器15、数据存储器16以及信号发射装置17。

电源18的正负极分别通过导线与A/D转换器15、数据存储器16以及信号发射装置17的正负极相连，实现供电。电源18的正极通过导线分别与振动传感器13、应变片14、温度传感器12的正极相连，振动传感器13、应变片14(应变片I～III)、温度传感器12的负极通过导线与A/D转换器15的信号输入正极相连，A/D转换器15的信号输入负极与电源18的负极相连，此回路构成了硬质合金刀头振动加速度、三向力以及温度检测的模拟量采集回路。

A/D转换器15的信号输出正、负极通过导线与数据存储器16的信号输入正、负极相连，将得到的刀头振动加速度、三向力以及温度值实时存储到数据存储器16中，数据存储器16的信号输出正、负极通过导线分别与信号发射装置17的信号输入正、负极相连，将得到的刀头振动加速度、三向力以及温度值实时无线传输至信号接收装置(图中未示出)。

在刨煤机工作前打开数据接收模块电源，即可测量数据。该系统无需改变刨刀的安装方式直接替换现有的刨刀，可根据实际情况替换及拆卸各传感器，可在不影响刨刀运行的情况下检测刨刀工况下的受力情况，并实时记录。可为刨刀的相关研究提供可靠数据，估算在刨刀在不同工作环境下的使用寿命，在刨刀临近损坏前更换，以提高采煤工作效率。

刨刀速度检测系统由变速箱23、转速传感器24、数据处理与显示单元组成，转速传感器安装在变速箱的输出轴上，数据处理与显示单元接收来至转速传感器的信号，并将转速信号转换为刨煤机的速度值进行显示；

刨煤机定位检测系统由中部槽26、左感应板25、左位置传感器28、右感应板34、右位置传感器35、刨头30组成，左感应板安装在中部槽的左上侧，左位置传感器安装在刨头的左上侧，右感应板安装在中部槽的右上侧，右位置传感器安装在刨头的右上侧；

刨头振动检测系统由三向加速度传感器29、刨头30、数据处理与显示单元组成，三向加速度传感器安装在刨头的中上方，其测量刨头在空间三方向的振动量，数据处理与显示单元接收来至三向加速度传感器的信息，并对测量值的大小进行显示；

刨链拉力检测系统由刨头前侧链条张力传感器27、刨头后侧链条张力传感器31、松边链条张紧传感器I 32、松边链条张紧传感器II 33、数据处理与显示单元组成，刨头前侧链条张力传感器安装在刨头运行方向前侧的链条上，刨头前侧链条张力传感器安装在刨头运行方向后侧的链条上，松边链条张紧传感器I、松边链条张紧传感器I分别安装在刨头下侧松边链条的右侧和左侧。

还可在刨煤机滑轨上安装刨头速度传感器，用于监测刨头运行速度。将刨头运行速度历程与刨刀三向力载荷历程同步记录，便于分析刨头运行速度与刨刀三向力的关系。

2)刮板输送机振动检测系统

该系统包括刮板40、固定于刮板底部的检测挡板43、固定在刮板内的扭摆振动检测装置42、通过螺栓36和螺母37固定在刮板40上的横梁41，刮板内设有若干链环槽38，链环槽内设有张力检测装置39(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42包括壳体、固定在壳体上的检测挡板43，检测挡板内限位有三轴加速度传感器44，壳体内限位有与三轴加速度传感器44输出端相连的加速度采集模块49，检测挡板上设有与加速度采集模块49数据传输口47、充电孔45相对应的空槽48，以便检测装置充电和数据传输下载，空槽48上设有铰接与检测底板上的密封塞46。当测试过程中或不使用时，用密封塞46将其塞住，当需要将数据进行传输时，将密封塞46打开，进行数据传输。通过螺栓固定检测挡板43将扭摆振动检测装置42固定在刮板40侧面的两端。无线加速度采集模块49外部留有一数据传输口47，当测试过程中或不使用时，用防水防尘塞38将其塞住，当需要传输数据，将密封塞46打开，进行数据传输。刮板40、横梁41及链环(张力检测装置39)采用的均是型号为SGW-244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45为加速度采集模块49充电，将无线采集模块参数设置的数据通过数据传输口47下载到加速度采集模块49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49为三轴加速度传感器44提供电源，三轴加速度传感器44检测到刮板链产生振动加速度信号；

c)三轴加速度传感器44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49采集到三轴加速度传感器44发出的信号后，存储数据；

e)无线加速度采集模块49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。

3)模拟煤壁数据采集平台

该模拟平台包括压板52、液压缸53、呈矩阵式分布的三向内应力传感器50、右压板54、右液压缸55、左压板56、左液压缸57、左底板58、左滑座59、左支撑板60、右底板61、右滑座62、右支撑板63、右拉移油缸64、上支撑板65、左拉移油缸66。模拟煤壁51为根据煤矿井下煤岩硬度浇筑而成的煤岩混合物，左底板58、右底板61和上支撑板65固定在地面上，右压板54通过右液压缸55压在煤壁65的右侧，右液压缸55安装在右支撑板63上，右支撑板63安装在右滑座62上，右拉移油缸64连接于右支撑板63和右底板61之间，右滑座62与右底板61之间为滑动连接，左压板56通过左液压缸57压在煤壁65的左侧，左液压缸57安装在左支撑板60上，左支撑板60安装在左滑座59上，左拉移油缸66连接于左支撑板60和左底板58之间，左滑座59与左底板58之间为滑动连接，上支撑板65的下端连接液压缸53，液压缸53的下端连接压板52，压板52压在煤壁65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53作用于压板52上、右液压缸55作用于右压板54上、左液压缸57作用于左压板56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50呈矩阵式分布于模拟煤壁51内，各三向内应力传感器50均可检测三个方向受力情况，并在数据处理与显示单元67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)

1.一种刨煤机刨刀力学特性在线测试系统，包括刨煤机刀头、与刨煤机刀头的信号输出端相连的检测单元，其特征在于：所述刨煤机刀头包括刀座、设置在刀座前端的硬质合金刀头、装配在刀座上的保护罩以及设置在刀座底部的刀杆，刀座中部设有方孔，振动传感器通过强磁底座放置在方孔中；刀座的尾部与刀杆之间设有缝隙；方孔与刀座前端为四方体柱，在其四面加工应变片槽，并在左右两侧应变片槽的相对应的角上开通导线孔；刀座上设有一直延伸到刀杆背部的导线槽，刀座前部安装应变片I；与方孔同高度的刀座左右两侧外壁上安装应变片II；方孔前内壁上安装应变片III；保护罩为带有钩形结构的U形壳体，通过刀座前部嵌于刀座外壁上，其钩形结构卡在刀座后部，并用沉头螺钉紧固；

检测单元包括电源、A/D转换器、数据存储器以及信号发射装置；电源的正负极分别通过导线与A/D转换器、数据存储器以及信号发射装置的正负极相连，实现供电；电源的正极通过导线分别与振动传感器、应变片、温度传感器的正极相连，振动传感器、应变片I~III、温度传感器的负极通过导线与A/D转换器的信号输入正极相连，A/D转换器的信号输入负极与电源的负极相连，此回路构成了硬质合金刀头振动加速度、三向力以及温度检测的模拟量采集回路；A/D转换器的信号输出正、负极通过导线与数据存储器的信号输入正、负极相连，将得到的刀头振动加速度、三向力以及温度值实时存储到数据存储器中，数据存储器的信号输出正、负极通过导线分别与信号发射装置的信号输入正、负极相连，将得到的刀头振动加速度、三向力以及温度值实时无线传输至信号接收装置；

刨煤机刨刀力学特性在线测试系统，还包括模拟煤壁数据采集平台，模拟煤壁数据采集平台包括压板、液压缸、呈矩阵式分布的三向内应力传感器、右压板、右液压缸、左压板、左液压缸、左底板、左滑座、左支撑板、右底板、右滑座、右支撑板、右拉移油缸、上支撑板、左拉移油缸；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，左底板、右底板和上支撑板固定在地面上，右压板通过右液压缸压在煤壁的右侧，右液压缸安装在右支撑板上，右支撑板安装在右滑座上，右拉移油缸连接于右支撑板和右底板之间，右滑座与右底板之间为滑动连接，左压板通过左液压缸压在煤壁的左侧，左液压缸安装在左支撑板上，左支撑板安装在左滑座上，左拉移油缸连接于左支撑板和左底板之间，左滑座与左底板之间为滑动连接，上支撑板的下端连接液压缸，液压缸的下端连接压板，压板压在煤壁的上端。