專利名稱：煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)載荷歷程非接觸監(jiān)測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦采掘機(jī)械履帶行走機(jī)構(gòu)監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)荷載歷程非接觸監(jiān)測裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著我國對煤炭需求量的持續(xù)增加和煤礦采掘機(jī)械化程度的不斷提高，履帶式機(jī)械接地面積大、接地比壓小、輸出功率大、附著性能好、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、跨溝越埂能力強(qiáng)等特點(diǎn)在煤礦井下松軟、泥濘等各種復(fù)雜路面運(yùn)行的作用顯得尤為重要，大部分大型礦用機(jī)械都應(yīng)用履帶行走機(jī)構(gòu)。履帶行走機(jī)構(gòu)是履帶式機(jī)械如連續(xù)采煤機(jī)、錨桿機(jī)等現(xiàn)代化采掘設(shè)備的重要組成部分，其作用是承擔(dān)整機(jī)的重量，支承和平衡整機(jī)在工作過程中受到的所有作用力和反作用力，同時(shí)進(jìn)行作業(yè)過程中的行走和回轉(zhuǎn)。煤礦井下條件惡劣，巷道底板不平整，經(jīng)常有較多煤泥水，承載能力相對較低，因此對采掘機(jī)械特別是重型采掘機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)要求較高。 起伏不平的巷道路面對整個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)沖擊較大。因此通過對履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力測量和載荷識別，及時(shí)掌握履帶的受力情況，對其實(shí)際使用狀況進(jìn)行分析和研究，對于提高履帶行走機(jī)構(gòu)的可靠性和使用壽命具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。履帶行走機(jī)構(gòu)長期在惡劣的工況下處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)，導(dǎo)致信號監(jiān)測很難實(shí)現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對作用于工程結(jié)構(gòu)上的載荷關(guān)注程度越來越大，對其研究逐漸深入，其中動載荷對結(jié)構(gòu)的影響較大，且具有破壞性和不可預(yù)見性，如飛行中飛機(jī)受到的氣動載荷、輪船受到波浪的沖擊載荷等，而由于井下開采環(huán)境惡劣，煤礦采掘機(jī)械履帶行走裝置也經(jīng)常承受地面和煤壁的沖擊載荷，因此動載荷是研究的重點(diǎn)。確定動載荷的方法主要有直接法和間接法，直接法是直接測量出動載荷的大小或測量與動載荷有關(guān)的參數(shù)來換算出載荷的大小，但是對于履帶采掘機(jī)械行走機(jī)構(gòu)，其所受的外部動載荷很難直接測量，甚至是不可能測量。基于結(jié)構(gòu)實(shí)測應(yīng)力反演動載荷的識別技術(shù)是確定動載荷的間接途徑，即動載荷識別技術(shù)。所謂動載荷識別是通過對結(jié)構(gòu)動應(yīng)力 (位移、速度、加速度或應(yīng)變等)的測量，根據(jù)已知結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，識別作用在結(jié)構(gòu)上的動載荷。對煤礦用履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行載荷識別是一個(gè)難點(diǎn)。因而，目前急需構(gòu)建一種適用于履帶機(jī)械行走機(jī)構(gòu)可靠性高、穩(wěn)定性好的監(jiān)測方法和載荷識別技術(shù)，及時(shí)提供履帶行走機(jī)構(gòu)的載荷歷程，以確保履帶行走機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的提供一種可靠性高、穩(wěn)定性好的履帶機(jī)械行走機(jī)構(gòu)監(jiān)測方法和載荷識別技術(shù)，及時(shí)提供履帶行走機(jī)構(gòu)的載荷歷程，以確保履帶行走機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和使用
壽命ο
本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)載荷歷程非接觸監(jiān)測裝置，其特征在于其包括上位機(jī)以及內(nèi)置于履帶行走系統(tǒng)被測履帶板的下位機(jī)，
所述的下位機(jī)包括應(yīng)變計(jì)以及與應(yīng)變計(jì)連接的具有無線發(fā)射功能的采集發(fā)射模塊，履帶行走系統(tǒng)上至少兩塊被測履帶板的中間開有安裝槽，履帶行走系統(tǒng)處于初始位置時(shí)，開有安裝槽的兩塊被測履帶板分別對應(yīng)于工作支段和支持支段，安裝槽的中間部位貼設(shè)應(yīng)變計(jì)，安裝槽對應(yīng)被測履帶板凹陷部位的一側(cè)開有通孔，采集發(fā)射模塊也內(nèi)置于安裝槽內(nèi)，采集發(fā)射模塊的無線發(fā)射天線穿設(shè)于通孔中，安裝槽上設(shè)有蓋板，蓋板連接于被測履帶板上， 蓋板邊緣與履帶板的接觸部位密封，
所述的上位機(jī)包括后臺和具有無線接收功能的控制單元。煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)載荷歷程非接觸監(jiān)測方法，基于上述的煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)載荷歷程非接觸監(jiān)測裝置完成，應(yīng)變片采集的信號經(jīng)過采集發(fā)射模塊以無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的控制單元，控制軟件將接收到的數(shù)據(jù)存入后臺建立數(shù)據(jù)庫，1、2.... η種工況，對應(yīng)的某一位置的應(yīng)變片采集的信號，也即應(yīng)變測量值
2··· ε η，因?yàn)槟骋宦膸О逶谡麄€(gè)運(yùn)行周期中不同位置截面積并非常數(shù)，設(shè)有m個(gè)不同位置，形成截面積矩陣(mXn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，目標(biāo)函數(shù)如下
’ =￡剛 (1)
式中F為載荷，f為應(yīng)變測量值，S為應(yīng)變片粘貼處實(shí)際受力截面積值，E為履帶板所用材料的彈性模量。通過式(1)得到不同工況履帶行走系統(tǒng)某一位置的載荷譜。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對履帶行走機(jī)構(gòu)的無線實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，得到履帶的受力狀況，通過后處理軟件進(jìn)一步對信號進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理，利用載荷識別技術(shù)得到不同工況下履帶的載荷歷程，最后利用一維載荷譜的編制理論VB程序設(shè)計(jì)語言，可以得到不同工況履帶鏈各個(gè)位置的載荷譜，進(jìn)而獲得能反映履帶行走機(jī)構(gòu)物理狀態(tài)和特性方面的有用信息，大大的提高了履帶行走機(jī)構(gòu)監(jiān)測的自動化程度。本發(fā)明目的在于提高對履帶行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)損壞和突發(fā)事件的反應(yīng)速度，縮短故障監(jiān)測和維修時(shí)間，做到早發(fā)現(xiàn)、早維修，增加正常的工作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。通過將現(xiàn)代自動化控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通訊、載荷識別等多種技術(shù)相結(jié)合，改變了原來由于各種限制而無法實(shí)時(shí)監(jiān)測的困擾，實(shí)現(xiàn)履帶行走機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)自動監(jiān)測控制智能化和管理網(wǎng)絡(luò)化。履帶行走機(jī)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測載荷一時(shí)間歷程，是一個(gè)連續(xù)的受多種因素影響的隨機(jī)過程。對這類呈明顯隨機(jī)性分布特點(diǎn)的載荷數(shù)據(jù)，使用無線應(yīng)變電測技術(shù)，得到不同工況下各個(gè)位置的應(yīng)變變化值，通過相應(yīng)的計(jì)算分析軟件得到真實(shí)載荷，借助目前普遍使用的概率統(tǒng)計(jì)方法及VB程序設(shè)計(jì)語言進(jìn)行載荷譜編制，把實(shí)測原始隨機(jī)載荷數(shù)據(jù)簡化，得到能反映構(gòu)件真實(shí)受載情況的“典型載荷譜”。隨著無線通信技術(shù)在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，許多原本獨(dú)立的設(shè)備和系統(tǒng)開始與無線局域網(wǎng)互聯(lián)，使越來越多的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸信息成為可能。履帶行走機(jī)構(gòu)非接觸監(jiān)
4測系統(tǒng)就為這種設(shè)備信息資源的共享提供了物質(zhì)手段。在采掘機(jī)械和工程機(jī)械等領(lǐng)域有著迫切的需求和廣闊的市場，作為檢測系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化。相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，無線傳輸方式不考慮長距離傳輸線纜以及線纜無法安裝等問題，節(jié)省了大量線纜，并且降低施工難度和系統(tǒng)成本，特別適合人員很不方便到達(dá)的區(qū)域，應(yīng)用前景巨大。本發(fā)明具有如下有益效果利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、價(jià)格便宜、 傳輸特性好等優(yōu)勢，為數(shù)據(jù)采集提供一種便捷的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，通過對零件的應(yīng)力、應(yīng)變應(yīng)力的測試得到各個(gè)工況下履帶的載荷歷程，進(jìn)而得到載荷譜，能掌握履帶的受力規(guī)律， 為疲勞壽命預(yù)測提供依據(jù)，隨時(shí)掌握履帶式機(jī)械承載結(jié)構(gòu)工作時(shí)的技術(shù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對履帶行走機(jī)械結(jié)構(gòu)的長期在線監(jiān)測。不但可以提高監(jiān)測的自動化程度，還可以節(jié)約大量的人力和資金，方便快捷，有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。


圖1為本發(fā)明所述非接觸監(jiān)測裝置的示意2為履帶板內(nèi)置下位機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為本發(fā)明所述非接觸監(jiān)測方法的流程4為履帶各支段示意圖
圖中1-履帶行走系統(tǒng)，2-下位機(jī)，3-上位機(jī)，4-被測履帶板，5-蓋板，6-螺釘，7-墊圈，8-采集發(fā)射模塊，9-應(yīng)變計(jì)，10-電源模塊，11-安裝槽，12-通孔，13-自由支段，14-弧形支段，15-支持支段，16-工作支段。
具體實(shí)施例方式履帶行走系統(tǒng)載荷歷程非接觸監(jiān)測方法包括履帶行走機(jī)構(gòu)下位機(jī)的合理布置、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用和載荷歷程數(shù)據(jù)的識別。所述的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用，包括下位機(jī)的集成配置、上位機(jī)對下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置和采集控制以及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。所述的上位機(jī)包括后臺和具有無線接收功能的控制單元。下位機(jī)2內(nèi)置于履帶行走系統(tǒng)履帶行走系統(tǒng)1，下位機(jī)2包括應(yīng)變計(jì)9以及與應(yīng)變計(jì)9連接的具有無線發(fā)射功能的采集發(fā)射模塊8，履帶行走系統(tǒng)1上至少兩塊被測履帶板4的中間開有安裝槽11，履帶行走系統(tǒng)初始位置時(shí)，開有安裝槽11的兩塊被測履帶板分別對應(yīng)于工作支段16和支持支段15，安裝槽11的中間部位貼設(shè)應(yīng)變計(jì)9，安裝槽11對應(yīng)被測履帶板4凹陷部位的一側(cè)開有通孔12，采集發(fā)射模塊8也內(nèi)置于安裝槽11內(nèi)，采集發(fā)射模塊8的無線發(fā)射天線穿設(shè)于通孔12中，安裝槽11上設(shè)有蓋板5，蓋板5連接于被測履帶板4上，蓋板5邊緣與被測履帶板4的接觸部位密封。履帶分為自由支段，弧形支段，支持支段，其中被牽引力拉緊的自由支段稱作工作支段。履帶測點(diǎn)的布置，考慮在工作過程中受力主要在工作支段和支持支段，因此測試過程中應(yīng)至少在工作支段和支持支段上分別布置一套無線采集裝置，如果條件允許也可以多布置幾個(gè)測點(diǎn)，以便最大程度反應(yīng)履帶工作過程中的載荷歷程。應(yīng)變片要求具有抗腐蝕、抗?jié)穸取⑿阅芊€(wěn)定、可靠性高的特點(diǎn)；采集發(fā)射模塊由調(diào)理模塊、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、控制器及存儲芯片等組成，實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)理、采集及記錄等功能；電源模塊主要為采集發(fā)射模塊供電；下位機(jī)的集成配置共同封裝組成無線傳感器。上位機(jī)主要由控制器和計(jì)算機(jī)組成， 實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置和采集控制。應(yīng)變片采集的信號經(jīng)過無線傳感器放大濾波后利用其所嵌入的微處理器對信號進(jìn)行提取，然后再以無線的方式可靠地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的控制單元，控制單元將采集到的數(shù)據(jù)傳向后臺，后臺軟件將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。采集完成后，后臺軟件可以通過數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的整理等工作。所述的載荷歷程數(shù)據(jù)的識別，旨在通過分析軟件根據(jù)已知的輸出和系統(tǒng)特性，求解系統(tǒng)的輸入特性。履帶行走機(jī)構(gòu)載荷的大小、次數(shù)及頻率具有隨機(jī)性，其特點(diǎn)是載荷大小不可預(yù)測，不會重復(fù)，數(shù)值沒有確定的函數(shù)表達(dá)式，但大量重復(fù)作業(yè)過程中，隨機(jī)載荷變化有其內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)偏差校正、畸點(diǎn)消除、無效幅值省略等處理，根據(jù)隨機(jī)過程理論，應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)方法，研究功率譜法，編制載荷譜。根據(jù)應(yīng)力的定義其物理意義為在單位截面積上所受的內(nèi)力，設(shè)系統(tǒng)需要識別的載荷為F，應(yīng)力為0，則載荷和應(yīng)力之間有如下關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)載荷歷程非接觸監(jiān)測裝置，其特征在于其包括上位機(jī)(3)以及內(nèi)置于履帶行走系統(tǒng)(1)被測履帶板(4)的下位機(jī)(2)，所述的下位機(jī)(2)包括應(yīng)變計(jì)(9)以及與應(yīng)變計(jì)(9)連接的具有無線發(fā)射功能的采集發(fā)射模塊(8)，履帶行走系統(tǒng)(1)上至少兩塊被測履帶板(4)的中間開有安裝槽(11)，履帶行走系統(tǒng)處于初始位置時(shí)，開有安裝槽(11)的兩塊被測履帶板(4)分別對應(yīng)于工作支段 (16)和支持支段(15)，安裝槽(11)的中間部位貼設(shè)應(yīng)變計(jì)(9)，安裝槽(11)對應(yīng)被測履帶板(4)凹陷部位的一側(cè)開有通孔(12)，采集發(fā)射模塊(8)也內(nèi)置于安裝槽(11)內(nèi)，采集發(fā)射模塊(8)的無線發(fā)射天線穿設(shè)于通孔(12)中，安裝槽(11)上設(shè)有蓋板(5)，蓋板(5)通過螺釘(6)和墊圈(7)連接于被測履帶板(4)上，蓋板(5)邊緣與被測履帶板(4)的接觸部位密封，所述的上位機(jī)包括后臺和具有無線接收功能的控制單元。
2.一種煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)載荷歷程非接觸監(jiān)測方法，基于如權(quán)利要求1所述的煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)載荷歷程非接觸監(jiān)測裝置完成，其特征在于應(yīng)變片采集的信號經(jīng)過采集發(fā)射模塊以無線方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的控制單元，控制軟件將接收到的數(shù)據(jù)存入后臺建立數(shù)據(jù)庫，假設(shè)有1、2. . . . η種工況，對應(yīng)的某一位置的應(yīng)變片采集的信號，也即應(yīng)變測量值Epf2H^n，因?yàn)槟骋宦膸О逶谡麄€(gè)運(yùn)行周期中不同位置截面積并非常數(shù)，設(shè)有m個(gè)不同位置，形成截面積矩陣 (mXn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，目標(biāo)函數(shù)如下式中F為載荷，f為應(yīng)變測量值，S為應(yīng)變片粘貼處實(shí)際受力截面積值，E為履帶板所用材料的彈性模量，通過式(1)得到不同工況履帶行走系統(tǒng)不同位置的載荷譜。
全文摘要
本發(fā)明屬于煤礦采掘機(jī)械履帶行走機(jī)構(gòu)監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種煤礦采掘機(jī)械履帶行走系統(tǒng)荷載歷程非接觸監(jiān)測裝置及方法，發(fā)明目的提供一種可靠性高、穩(wěn)定性好的履帶機(jī)械行走機(jī)構(gòu)監(jiān)測方法和載荷識別技術(shù)，及時(shí)提供履帶行走機(jī)構(gòu)的載荷歷程，以確保履帶行走機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和使用壽命。監(jiān)測裝置，包括上位機(jī)以及內(nèi)置于履帶行走系統(tǒng)被測履帶板的下位機(jī)，下位機(jī)包括應(yīng)變計(jì)以及與應(yīng)變計(jì)連接的具有無線發(fā)射功能的采集發(fā)射模塊，上位機(jī)包括后臺和具有無線接收功能的控制單元。本發(fā)明的有益效果隨時(shí)掌握履帶式機(jī)械承載結(jié)構(gòu)工作時(shí)的技術(shù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對履帶行走機(jī)械結(jié)構(gòu)的長期在線監(jiān)測，節(jié)約大量的人力和資金，方便快捷，有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
文檔編號G01L5/00GK102562059SQ201110438448
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月24日
發(fā)明者劉映剛, 宋揚(yáng), 康鵬, 張宏, 張振, 張曉鹍, 張禮才, 朱大鵬, 楊韜仁, 梁大海, 郭治富 申請人:中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院, 山西天地煤機(jī)裝備有限公司