CN111504623A - 一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置及计算方法，包括输送系统、加载系统、环境模拟系统和数据采集系统。输送系统包括机架、驱动电机减速器、驱动滚筒、换向滚筒、被测托辊和输送带；加载系统包括加载电机、电推杆、施压装置、加载托辊和轮辐式压力传感器；环境模拟系统包括环境控制箱、环境生成箱；数据采集系统包括扭矩传感器、信号放大器、数据采集卡和上位机。本发明可将托辊置于环境模拟系统营造的井下温度、湿度及粉尘环境中，利用加载系统对被测托辊施加不同载荷，利用输送系统调节托辊转速，利用数据采集系统测量并计算托辊的旋转阻力，重点针对井下环境中托辊的阻力及寿命表现进行测试，测量结果真实可靠。

Description

一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置及计算方法

技术领域

本发明涉及一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置及计算方法，属于矿井运输技术领域。

背景技术

随着国家“节能减排、绿色生产”战略的实施，作为矿井运输中不可或缺的煤炭运输设备，带式输送机的能耗和输送成本始终是需要关注和改进的重点之一。托辊是带式输送机中使用数量众多、占据成本较大的重要部件，托辊性能的好坏直接关系到带式输送机的工作性能和使用寿命。旋转阻力是评判托辊性能的重要指标，更间接决定着托辊的使用寿命，受托辊结构、运行工况和检测方式等影响，目前对于井下带式输送机托辊旋转阻力的测量手段还不够完善，对其影响因素及作用规律尚不明确。例如：MT 821-2006技术标准中给出的托辊旋转阻力测量设备不能模拟带式输送机在井下使用时的真实环境及受载状态；专利CN201710615750.3设计了一种带式输送机托辊旋转阻力试验装置，但该装置只能模拟托辊载荷及转速，不能模拟井下托辊所处的工作环境，且在阻力计算过程中所用到的输送带张力检测仪并不适用于较小张紧力的测量，测量范围有限，且测量原理相对复杂；专利CN201520163009.4中的托辊旋转阻力测量装置虽改进了托辊旋转阻力测试方法，但同样不能模拟井下环境，且与托辊真实工作状态有较大出入。

目前，托辊旋转阻力的研究多集中于测试方法的改进，鲜有对托辊所处工作环境的考虑，尤其是缺少针对井下带式输送机托辊旋转阻力的测量装置。因此，亟待研制一种可模拟井下环境的带式输送机托辊旋转阻力试验装置，解决井下托辊旋转阻力测量难题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置及计算方法，能够模拟井下托辊所处环境，采用简单实用的阻力测量原理，能够满足不同类型托辊在不同转速及载荷下的旋转阻力与寿命测试要求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置，包括输送系统、加载系统、环境模拟系统和数据采集系统；

输送系统包括机架、驱动电机减速器、驱动滚筒、换向滚筒、被测托辊和输送带，驱动滚筒、换向滚筒水平设置在机架的两端，驱动滚筒和换向滚筒之间设有输送带，在驱动滚筒与换向滚筒之间的机架上设有被测托辊，被测托辊的外端连接有轴套，输送带下表面与被测托辊接触，驱动电机减速器设置在机架上并通过减速器输出轴与驱动滚筒连接；

加载系统包括加载电机、电推杆、施压装置、加载托辊和轮辐式压力传感器，电推杆设置在机架的上部，电推杆顶端与加载电机连接，电推杆底端与施压装置连接，施压装置底面设有加载托辊，轮辐式压力传感器设置在电推杆与施压装置连接的地方，加载托辊位于被测托辊的上方位置；

环境模拟系统包括环境控制箱、环境生成箱、风机、环境箱和温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器，环境箱对称安装在机架外侧，被测托辊两个轴端分别伸入到一个环境箱中，环境生成箱内部设置水箱和加热器，水箱内设有超声波雾化器，环境箱内底面铺设煤尘，环境箱通过风管与风机连通；温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器设置在环境箱内壁上，温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器、风机、超声波雾化器和加热器均与环境控制箱连接；

数据采集系统包括扭矩传感器、信号放大器、数据采集卡和上位机，扭矩传感器连接在轴套的外侧，信号放大器与扭矩传感器连接，信号放大器与数据采集卡连接，数据采集卡与上位机连接。

进一步的，所述换向滚筒通过螺旋张紧装置与机架连接，通过螺旋张紧装置可以调节输送带的张紧程度，保证测量数据的准确性。

进一步的，所述被测托辊有两根，能为对现有托辊改造升级，需要与普通托辊做对比试验提供条件，相应的加载托辊同时安装两根，可以避免由于被测托辊跳动导致的加载不均情况。

一种模拟井下环境的托辊旋转阻力计算方法，所述扭矩传感器分别测量被测托辊左端阻力矩M₁和右端阻力矩M₂，被测托辊的直径为d_i，被测托辊的旋转阻力则为：

式中：M₁——被测托辊左端阻力矩，N·mm；

M₂——被测托辊右端阻力矩，N·mm；

M_L——被测托辊两端平均阻力矩，N·mm；

F_z——被测托辊的旋转阻力，N；

d_i——被测托辊的直径，mm。

与现有技术相比，本发明重点面向井下工作的带式输送机托辊，能够全方位模拟托辊所处工作环境的温度、湿度和粉尘浓度等，对托辊施加不同的转速及载荷并计算托辊的旋转阻力，测量结果真实可靠。由此研究托辊在井下环境中的阻力变化规律，对于井下应用的托辊设计、改进乃至带式输送机的输送效率提高具有一定的指导意义。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明侧视结构示意图；

图3为本发明环境生成箱内部结构示意图；

图4为本发明托辊旋转阻力测量方法示意图；

图5为本发明扭矩传感器安装结构示意图。

图中：1-驱动电机减速器，2-驱动滚筒，3-输送带，4-机架，5-加载托辊，6-电推杆，7-加载电机，8-施压装置，9-上位机，10-数字式温湿度控制器，11-环境生成箱，12-信号放大器，13-数据采集卡，14-轮辐式压力传感器，15-被测托辊，16-螺旋张紧装置，17-换向滚筒，18-轴套，19-扭矩传感器，20-温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器，1101-超声波雾化器，1102-水箱，1103-加热器，1104-风机，1105-风管，1106-环境箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本发明提供一种技术方案：包括输送系统、加载系统、环境模拟系统和数据采集系统；

输送系统包括机架4、驱动电机减速器1、驱动滚筒2、换向滚筒17、被测托辊15和输送带3，驱动滚筒2、换向滚筒17水平设置在机架4的两端，驱动滚筒2和换向滚筒17之间设有输送带3，在驱动滚筒2与换向滚筒17之间的机架4上设有被测托辊15，被测托辊15的外端连接有轴套18，输送带3下表面与被测托辊15接触，驱动电机减速器1设置在机架4上并通过减速器输出轴与驱动滚筒2连接；

加载系统包括加载电机7、电推杆6、施压装置8、加载托辊5和轮辐式压力传感器14，电推杆6设置在机架4的上部，电推杆6顶端与加载电机7连接，电推杆6底端与施压装置8连接，施压装置8底面设有加载托辊5，轮辐式压力传感器14设置在电推杆6与施压装置8连接的地方，加载托辊5位于被测托辊15的上方位置；加载电机7与电推杆6配合做升降运动，电推杆6下方安装加载托辊5可对被测托辊15施加载荷，电推杆6与加载托辊5之间设置的轮辐式压力传感器14用于检测施加的载荷；

如图1至图3所示，环境模拟系统包括环境控制箱10、环境生成箱11、风机1104、环境箱1106和温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器20，环境箱1106对称安装在机架4外侧，被测托辊15轴端伸入到一个环境箱1106中，环境生成箱11内部设置水箱1102和加热器1103，水箱1102内设有超声波雾化器1101，环境箱1106内底面铺设煤尘，环境箱1106通过风管1105与风机1104连通；温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器20设置在环境箱1106内壁上，温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器20、风机1104、超声波雾化器1101和加热器1103均与环境控制箱10连接；

超声波雾化器1101、加热器1103和水箱1102可以在环境生成箱11内生成模拟井下温度、湿度的空气，然后由风管1105将生成的模拟井下温度、湿度的空气吹进环境箱1106中，由于环境箱1106内底面铺设煤尘，吹进来的空气还会带起煤尘，模拟井下粉尘环境；被测托辊15轴端伸入到一个环境箱1106中，环境箱1106密封性好，能够最大限度的保证模拟环境的稳定性和真实性；温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器20实时采集环境箱中的温度、湿度和粉尘浓度的信息并传输给环境控制箱10，环境控制箱10则会实时控制风机1104、超声波雾化器1101和加热器1103的工作状态以保持模拟环境的稳定性；

数据采集系统包括扭矩传感器19、信号放大器12、数据采集卡13和上位机9，扭矩传感器19连接在轴套18的外侧，信号放大器12与扭矩传感器19连接，信号放大器12与数据采集卡13连接，数据采集卡13与上位机9连接；数据采集卡13经信号放大器12所得数据传输到上位机9中，通过LabVIEW上位机软件构成数据采集系统，所得阻力数据最终以表格形式存储起来。

通过环境生成箱11和环境箱1106可将被测托辊15置于环境模拟系统营造的井下温度、湿度及粉尘环境中，利用加载系统对加载托辊5施加不同载荷，利用输送系统调节被测托辊15转速，利用数据采集系统测量并计算被测托辊15的旋转阻力，重点针对井下环境中不同直径、不同材质托辊的阻力及寿命表现进行测试，测量结果真实可靠。

如图4所示，被测托辊15轴左右两端各有一个扭矩传感器19，当被测托辊15外圆旋转时，由于内部轴承及密封件等阻力，会对被测托辊15轴产生一个带动旋转的趋势，因此利用轴套18连接托辊轴和扭矩传感器19测出被测托辊15一端旋转阻力矩M₁，另一端M₂测量同理，被测托辊15的直径为d_i，被测托辊15的旋转阻力则为

计算求得被测托辊15的旋转阻力；式中：M₁——托辊左端阻力矩，N·mm；

M₂——托辊右端阻力矩，N·mm；

M_L——托辊两端平均阻力矩，N·mm；

F_z——托辊的旋转阻力，N；

d_i——托辊的直径，mm。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置，其特征在于，包括输送系统、加载系统、环境模拟系统和数据采集系统；

输送系统包括机架(4)、驱动电机减速器(1)、驱动滚筒(2)、换向滚筒(17)、被测托辊(15)和输送带(3)，驱动滚筒(2)、换向滚筒(17)水平设置在机架(4)的两端，驱动滚筒(2)和换向滚筒(17)之间设有输送带(3)，在驱动滚筒(2)与换向滚筒(17)之间的机架(4)上设有被测托辊(15)，被测托辊(15)的外端连接有轴套(18)，输送带(3)下表面与被测托辊(15)接触，驱动电机减速器(1)设置在机架(4)上并通过减速器输出轴与驱动滚筒(2)连接；

加载系统包括加载电机(7)、电推杆(6)、施压装置(8)、加载托辊(5)和轮辐式压力传感器(14)，电推杆(6)设置在机架(4)的上部，电推杆(6)顶端与加载电机(7)连接，电推杆(6)底端与施压装置(8)连接，施压装置(8)底面设有加载托辊(5)，轮辐式压力传感器(14)设置在电推杆(6)与施压装置(8)连接的地方，加载托辊(5)位于被测托辊(15)的上方位置；

环境模拟系统包括环境控制箱(10)、环境生成箱(11)、风机(1104)、环境箱(1106)和温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器(20)，环境箱(1106)对称安装在机架(4)外侧，被测托辊(15)轴端伸入到一个环境箱(1106)中，环境生成箱(11)内部设置水箱(1102)和加热器(1103)，水箱(1102)内设有超声波雾化器(1101)，环境箱(1106)内底面铺设煤尘，环境箱(1106)通过风管(1105)与风机(1104)连通；温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器(20)设置在环境箱(1106)内壁上，温度、湿度、粉尘浓度三合一传感器(20)、风机(1104)、超声波雾化器(1101)和加热器(1103)均与环境控制箱(10)连接；

数据采集系统包括扭矩传感器(19)、信号放大器(12)、数据采集卡(13)和上位机(9)，扭矩传感器(19)连接在轴套(18)的外侧，信号放大器(12)与扭矩传感器(19)连接，信号放大器(12)与数据采集卡(13)连接，数据采集卡(13)与上位机(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置，其特征在于：所述换向滚筒(17)通过螺旋张紧装置(16)与机架(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟井下环境的托辊旋转阻力测试装置，其特征在于：所述被测托辊(15)有两根，通过施压装置(8)和两个加载托辊(5)对两个被测托辊进行同步加载，可同时测试两根相同规格的托辊，特别适用于开展不同类型托辊的旋转阻力对比试验。

4.一种模拟井下环境的托辊旋转阻力计算方法，其特征在于：所述扭矩传感器(19)分别测量被测托辊(15)左端阻力矩M₁和右端阻力矩M₂，被测托辊(15)的直径为d_i，被测托辊(15)的旋转阻力则为：

式中：M₁——被测托辊左端阻力矩，N·mm；

M₂——被测托辊右端阻力矩，N·mm；

M_L——被测托辊两端平均阻力矩，N·mm；

F_z——被测托辊的旋转阻力，N；

d_i——被测托辊的直径，mm。

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