基于压电振动俘能装置的采煤机滚筒扭矩检测系统

中国机械工程

基于压电振动俘能装置的采煤机滚筒扭矩检测系统

张强1,2,3;石抗抗1;王海舰1;井旺1

1.辽宁工程技术大学，阜新,123000
2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连,116023
3.四川理工学院材料腐蚀与防护四川省重点实验室，自贡,643000

出版日期:2016-10-25 发布日期:2016-10-21
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51504121)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20132121120011)；工业装备结构分析国家重点实验室开放基金资助项目(GZ1402)；材料腐蚀与防护四川省重点实验室开放基金资助项目(2014CL18)；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划资助项目(LJQ2014036)；辽宁省“百千万人才工程”培养经费资助项目(2014921070)

Shearer Roller Torque Detection System Based on Piezoelectric Vibration Energy Harvesting Device

Zhang Qiang1,2,3;Shi Kangkang1;Wang Haijian1;Jing Wang1

1.Liaoning Technical University，Fuxin,Liaoning,123000
2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian,Liaoning,116023
3.Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Sichuan University of Science & Engineering，Zigong,Sichuan,643000

Online:2016-10-25 Published:2016-10-21
Supported by:

摘要/Abstract

摘要： 为实现采煤机滚筒扭矩的实时精确检测，提出了一种基于压电振动俘能装置自给供电的滚筒扭矩检测系统。压电振动俘能装置将采煤机工作过程中Y、Z方向上产生的振动能量有效地转换为电能，实现对检测系统无线应变采集模块和销轴传感器的长期、稳定供电，避免了电池更换需要反复拆卸的难题。现场实验测试表明，扭矩检测系统自供电性能稳定，系统能够实现采煤机滚筒Y、Z方向上所受载荷的实时、精确检测，从而准确推算出滚筒的扭矩，系统具有较高的检验精度和可靠性。

关键词: 滚筒, 压电, 扭矩检测, 销轴传感器, 自供电

Abstract: In order to achieve real-time shearer roller torque detection precision, this paper proposed a self-powered detection system based on piezoelectric vibration energy harvesting device. The vibration energy produced by the shearer in the working processes of Y and Z directions would be converted into electrical energy effectively, which ensured the long-term effectiveness working of the pin shaft sensor and wireless strain collection moduler and avoided the problems of power-supply module which needed replacement and repeated disassembly. The results of the experiments show that the self-powered performance of testing system is stable, the load of the shearer roller in theY and Z directions may be detected precisely in real time, the roller torques are calculated, and indicates that the system has higher accuracy and reliability.

Key words: roller, piezoelectric, torque detection, pin axis sensor;self-powered

中图分类号:

TH39

张强, 石抗抗, 王海舰, 井旺. 基于压电振动俘能装置的采煤机滚筒扭矩检测系统[J]. 中国机械工程.

Zhang Qiang, Shi Kangkang, Wang Haijian, Jing Wang. Shearer Roller Torque Detection System Based on Piezoelectric Vibration Energy Harvesting Device[J]. China Mechanical Engineering.

参考文献

[1]蔡翰志.滚筒式采煤机扭矩与转速的测量研究[J]. 煤矿机械，2012,33(1):45-48.

Cai Hanzhi. Research on Torque and Rotation Speed Measurements of Shearer Drum[J]. Coal Mine Machinery, 2012,33(1):45-48.

[2]朱春梅，王朝霞，胡啸峰. 回转机械扭矩测量系统设计[J]. 煤矿机械，2008,29(12):133-135.

Zhu Chunmei, Wang Zhaoxia, Hu Xiaofeng.Design of Torque Measurement System of Rotary Machine[J].Coal Mine Machinery, 2008,29(12):133-135.

[3]张德银，黄大贵，陈敏，等. 新型智能扭矩转速传感器及其实验研究[J]. 传感器技术，2004,23（3）：54-56.

Zhang Deyin, Huang Dagui, Chen Min, et al. New Smart Torque Speed Sensor and Its Experimental Research[J]. Journal of Transducer Technology, 2004,23（3）:54-56.

[4]张强，王海舰，毛君,等.基于压电振动俘能的自供电刮板输送机张力检测系统[J].传感技术学报，2015,28(9):1335-1340.

Zhang Qiang, Wang Haijian, Mao Jun,et al. SelfPowered Tension Testing System for Scraper Conveyor Based on Piezoelectric Vibration Energy Harvested[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators,2015,28(9):1335-1340.

[5]程光明，何丽鹏，曾平,等.圆形双振子式主动阀压电泵设计与性能实验[J]. 农业机械学报，2010,41(5):204-208.

Cheng Guangming, He Lipeng, Zeng Ping,et al. Design and Performance Test on Circular Two Piezoelectric Pump with Active Valve[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2010,41(5):204-208.

[6]阚君武，徐海龙，王淑云，等.多振子串联压电俘能器性能分析与测试[J]. 振动与冲击，2013,32(22):79-83.

Kan Junwu, Xu Hailong, Wang Shuyun，et al. Performance Analysis and Test of an Energy Harvester with Serial Connected Piezodiscs [J]. Journal of Vibration and Shock,2013,32(22):79-83.

[7]阚君武，王淑云，彭少锋，等. 多振子压电发电机的输出特性[J]. 光学精密工程，2011,19(9):2108-2116.

Kan Junwu, Wang Shuyun, Peng Shaofeng，et al.Output Performance of Piezoelectric Generators with Multivibrators[J]. Optics and Precision Engineering,2011,19(9):2108-2116.

[8]陈仁文. 新型环境能量采集技术[M].北京：国防工业出版社，2011.

[9]边义祥，杨成华.基于压电材料的振动能量回收技术现状综述[J].压电与声光,2011,33(4):612-621.

Bian Yixiang, Yang Chenghua. A Review of Current Research for Energy Harvesting Based onVibration of Piezoelectric Materials[J]. Piezoelectrics and Acoustooptics,2011,33(4):612-621.

[10]Norouzi M, Kashaninia A. Design of Piezoelectric Microcantilever Chemical Sensors in OMSOL Multiphysics Area[J]. Journal of Electrical and Electronics Engineering,2009,2(1):184.

[1]	林超, 沈忠磊, 李坪洋, 郑山. 垂直型多级位移放大机构设计与力学解析建模[J]. 中国机械工程, 2021, 32(08): 908-915，937.
[2]	赵丽娟, 王雅东, 王斌. 含夹矸煤层条件下采煤机螺旋滚筒工作性能分析与预测[J]. 中国机械工程, 2021, 32(08): 976-986.
[3]	李博1;杨军1;张鹤宇1;张兆晶2;龚铮3. 基于压电叠堆的液体高频正弦压力激励源研制[J]. 中国机械工程, 2021, 32(01): 111-116,125.
[4]	刘增华1,2;张婷婷1,2;苏瑞祥1,2;陈洪磊1,2;何存富1,2;吴斌1,2. 基于十字形阵列和2D-MUSIC算法的Lamb波检测[J]. 中国机械工程, 2020, 31(17): 2038-2044.
[5]	李建平1,2;高云叶2;温建明1,2;马继杰1;王仁明2. 基于旋转磁铁箝位的压电尺蠖驱动器理论与试验分析[J]. 中国机械工程, 2020, 31(17): 2059-2063,2070.
[6]	王均山;陈超;石明友;曹静. 悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究[J]. 中国机械工程, 2020, 31(17): 2064-2070.
[7]	张江涛, 谭援强, 包涛, 徐仰立, 姜胜强. 滚筒振动对铺粉质量影响的离散元模拟[J]. 中国机械工程, 2020, 31(14): 1717-1723.
[8]	阚君武;何恒钱;王淑云;廖卫林;张忠华;陈松;吴亚奇. 基于压电简支梁拉伸调频的旋磁发电机[J]. 中国机械工程, 2019, 30(23): 2857-2862.
[9]	邵俊华1;王涛1;汪正傲2;魏灯莱1;李友荣2. 基于压电阻抗频率变化的螺栓松动检测技术[J]. 中国机械工程, 2019, 30(12): 1395-1399,1408.
[10]	毛君1;王鑫1;陈洪月1，2;张坤1;白杨溪1. 基于NSGA-Ⅲ算法的采煤机滚筒优化设计及系统开发[J]. 中国机械工程, 2018, 29(19): 2335-2342.
[11]	安君;吕海峰;耿彦章;韩彦南. 可调频Helmholtz共振器声学性能[J]. 中国机械工程, 2018, 29(08): 954-957,964.
[12]	钱承;胡红生. 基于最小二乘支持向量机的压电作动器迟滞非线性建模及参数辨识[J]. 中国机械工程, 2018, 29(07): 835-841.
[13]	赵丽娟;范佳艺. 基于遗传算法的采煤机螺旋滚筒多目标优化设计[J]. 中国机械工程, 2018, 29(05): 591-596.
[14]	蒋州1;曹军义1;凌明祥1,2;曾明华1;林京1. 新型双臂菱形压电柔性机构理论设计与建模[J]. 中国机械工程, 2017, 28(21): 2557-2561,2566.
[15]	王建红1;周浩2;许有熊1;刘娣1. 基于膜式液压放大的压电驱动器设计与试验[J]. 中国机械工程, 2017, 28(21): 2567-2572.