CN105092119B - 模拟井下煤壁内应力测试系统 - Google Patents

Abstract

一种模拟井下煤壁内应力测试系统，从根本上解决了现有检测系统无法准确检测煤壁垮落范围、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的问题，其包括截割齿受力检测系统、滚筒扭矩检测系统以及模拟煤壁数据采集平台，其技术要点是：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。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

模拟井下煤壁内应力测试系统

技术领域

本发明涉及煤矿机械领域，具体地说是一种模拟井下煤壁内应力测试系统。

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用于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。现有的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。

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。

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。如申请公布号为CN102964143A的发明专利公开了“一种多截齿参数可调式旋转截割煤岩实验装置”，包括液压系统、电控箱、横纵向进给机构、转速转矩仪、联轴器、截割电机、截割机构、滑环、底座、减速器、测力装置、模拟煤壁等部分。调整万能角度齿座内截齿空间角度和截割臂几何参数至测试要求后，截割电动机经减速器、转速转矩仪驱动截割臂旋转，采用变频调速方法改变截割臂转速，由变量泵控制液压缸实现截割台架进给运动。被测信号经传感器、无线或多路滑环传输到计算机，进行记录存储，实现采掘机械煤岩截割时的三向力和截割扭矩的测试。该技术方案虽然在一定程度上解决了多截齿旋转截割、截割几何参数和运动参数难调整以及信号不易采集等难题。但是，在截割时模拟煤壁所受的力学特性参数仍无法测定。为此，亟需一种煤矿井下环境的煤壁模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟井下煤壁内应力测试系统，从根本上解决了上述问题，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：该模拟井下煤壁内应力测试系统包括截割齿受力检测系统、滚筒扭矩检测系统以及模拟煤壁数据采集平台，其技术要点是：所述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；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；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。

首先对待实验采煤区的地质条件进行取样，然后通过浇筑的方式制备与该地区地质条件极为相近的煤壁层，并将压力传感器等间隔的安装在煤壁内，进一步通过液压泵模拟煤层上方的土层压力，使试验结果更加准确可靠。因此可实现地上模拟井下复杂的工况环境。相较于现有的现有技术的模拟测量装置，还可通过模拟煤壁内的传感器，进一步测量截齿在截割过程中煤壁垮落范围、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，为优化采煤机作业参数提供可靠依据。同时，在煤壁内应力测量的同时，同步测量了截割齿应力与滚筒受力的情况，可进一步分析在煤壁内产生相应力学特性的同时，截割机构的受力情况，为采煤机的优化制造提供可靠的依据。

附图说明

图1为本发明滚筒的外观结构示意图；

图2为本发明截割组件的爆炸结构示意图；

图3为本发明截割头的信号传输原理示意图；

图4为本发明截割头部分信号传输电路的结构示意图；

图5为本发明截割传动系统的结构示意图；

图6为本发明惰轮轴传感器的受力示例图；

图7为模拟煤壁内的传感器分布位置示意图；

图8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截割电机、24电机输出轴齿轮、25主动轮I、26主动轮II、27主动轮III、28惰轮I、29惰轮II、30惰轮III、31滚筒齿轮、32行星轮、33轴承、34销轴传感器、35惰轮轴定位螺杆、36盖板、37三向内应力传感器、38模拟煤壁、39压板、40液压缸、41右压板、42右液压缸、43左压板、44左液压缸、45左底板、46左滑座、47左支撑板、48右底板、49右滑座、50右支撑板、51右拉移油缸、52上支撑板、53左拉移油缸、54数据处理与显示单元。

具体实施方式

以下结合图1~8，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该模拟井下煤壁内应力测试系统包括截割齿受力检测系统、滚筒扭矩检测系统以及模拟煤壁数据采集平台。

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30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12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15的导线孔14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，滚筒随着采掘机安装在采煤机上随主轴转动，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.滚筒扭矩检测系统

该系统包括截割电机23、电机输出轴齿轮24、与电机输出轴齿轮24顺次啮合的主动轮I 25和主动轮II 26、与主动轮II 26同轴设置的主动轮III 27、与主动轮III 27顺次啮合的惰轮I~III 28~30、与惰轮III30啮合的行星轮32、与行星轮32同轴设置的滚筒齿轮31、由滚筒齿轮31驱动的滚筒等部分。其中，惰轮III30（与滚筒的行星轮32相邻）的转轴为销轴传感器34，销轴传感器34外设有轴承33，轴承33限位在盖板36内，销轴传感器34的一端通过销轴定位螺杆35限位在盖板36上。销轴传感器受剪力作用，分析可得，（1）Ft=Ft1+Ft2；（2）Fr=Fr1-Fr2；（3）Ft1=T/d。Ft为周向合力，Fr为径向合力，Ft1和Ft2为惰轮III所受圆周力，Fr1和Fr2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Ft(Y方向)、Fr(X方向)，其中Ft1和Ft2为惰轮III所受圆周力，其中Ft1为惰轮II 29作用给惰轮III30的力，Ft2为行星轮32反作用给惰轮III30的力，采煤机截割过程中Ft1和Ft2两个力大小相等方向相同，由公式（1）得到周向力Ft1=Ft2=Ft/2，由公式（2）得到径向合力Fr因为如图6，Fr1向右，Fr2向左，Fr1和Fr2同时作用于轴心，方向相反，且大小相等，即Fr1=Fr2，所以Fr=0，由公式（3）得到实际扭矩T，即Ft1=2T/d，即扭矩T=Ft*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。

模拟煤壁数据采集平台

该模拟平台包括压板39、液压缸40、呈矩阵式分布的三向内应力传感器37、右压板41、右液压缸42、左压板43、左液压缸44、左底板45、左滑座46、左支撑板47、右底板48、右滑座49、右支撑板50、右拉移油缸51、上支撑板52、左拉移油缸53。模拟煤壁38为根据煤矿井下煤岩硬度浇筑而成的煤岩混合物，左底板45、右底板48和上支撑板52固定在地面上，右压板41通过右液压缸42压在煤壁38的右侧，右液压缸42安装在右支撑板50上，右支撑板50安装在右滑座49上，右拉移油缸51连接于右支撑板50和右底板48之间，右滑座49与右底板48之间为滑动连接，左压板45通过左液压缸44压在煤壁38的左侧，左液压缸44安装在左支撑板47上，左支撑板47安装在左滑座46上，左拉移油缸53连接于左支撑板47和左底板45之间，左滑座46与左底板45之间为滑动连接，上支撑板52的下端连接液压缸40，液压缸40的下端连接压板39，压板39压在煤壁38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40作用于压板39上、右液压缸42作用于右压板41上、左液压缸43作用于左压板44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37呈矩阵式分布于模拟煤壁38内，各三向内应力传感器37均可检测三个方向受力情况，并在数据处理与显示单元54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)

1.一种模拟井下煤壁内应力测试系统，包括截割齿受力检测系统、滚筒扭矩检测系统以及模拟煤壁数据采集平台，其特征在于：所述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；

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；

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、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。