本发明属于设备检测技术领域，涉及一种采煤机磨损检测方法。
背景技术：
地表富集的煤炭资源经历上百年的开采，几近枯竭，目前煤炭以井下开采方式为主。为了保护工人安全，提高采煤效率，自动化的采煤机应用越来越普遍。
作为采煤工业最重要的自动化开采设备，采煤机正遭受磨损的侵害。由于井下恶劣的工况，磨损导致采煤机工作面每推进1500m，需要停机更换15-16次易损部件，每次更换耗时约5小时，直接经济损失数百万美元。遗憾的是，至今尚未有一种公认的方法来检测采煤机核心部件的摩擦磨损并提出解决方案。
检测方法是通过部件磨损实验揭示其失效原因并提出解决方案的首选方法。现有方法只能检测干摩擦、油膜和水膜润滑条件下部件的磨损，却无法检测复杂工况下部件磨损的状况。目前常用的磨损检测方法关注于高分子材料、陶瓷薄膜、车辆制动等领域，通过检测装置，解决橡胶、陶瓷膜、电动制动摩擦部件的磨损检测。尚没有专门针对井下采煤机磨损的检测方法，可以表征磨损的情况。因此，探索适用于井下复杂工况中采煤机部件的磨损检测方法，已成为该领域的前沿课题。
磨损检测是探索采煤机部件失效原因的首选方法。检测方法工作原理是分析实际工况中磨损因素，设计检测机构，通过磨损实验验证检测机构有效性，揭示采煤机失效机理，提出解决方案，预防失效的再次发生。然而，很少看到相关报道：(1)分析影响采煤机核心部件失效的重要因素；(2)模拟采煤机核心部件摩擦磨损的检测机构；(3)通过部件失效实例验证检测机构，揭示其失效机理并给出解决方案。由于无法确定复杂工况中磨损因素及其之间的关系，只有通过考察机构设计和磨损实验验证，才能揭示出采煤机核心部件磨损失效的真相。
因此，本发明通过分析实际工况中磨损失效参数，设计模拟采煤机实际工况的磨损检测机构，通过磨损实验验证检测机构有效性，从而揭示采煤机失效机理，提出解决方案。
技术实现要素：
为了填补井下采煤机磨损检测方法的空白，本发明提供一种采煤机磨损检测方法，所述方法分析实际工况中磨损失效参数，设计模拟采煤机实际工况的磨损检测机构，通过磨损实验验证检测机构有效性，从而揭示采煤机失效机理，提出解决方案。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：
一种采煤机磨损检测方法，包括以下步骤
1、采煤机工况分析与易损部件选定
附图1示出了双滚筒采煤机结构图。由附图1可知，采煤机主要由截割部、牵引部和调高机构组成。截割部由左、右截割滚筒、摇臂组成，实现截割顶煤和底煤；牵引部由平滑靴、导向滑靴、机身组成，实现采煤机沿工作面往复运动；调高机构是控制摇臂，实现截割滚筒采煤高度调节。由附图2可知，滑靴跨骑在刮板输送机上，沿着刮板输送机前进或后退。在采空区侧，导向滑靴与刮板输送机销排啮合，形成销排齿条运动副；导向滑靴承载采煤机自重、过煤量及截割阻力。当采煤机运转时，导向滑靴与销排相对运动，产生摩擦；当煤块或矸石侵入导向滑靴与销排之间，导向滑靴牵引力逐渐增大，摩擦力随之增大。因此，在实际工况中，采煤机工作面每推进1500m，就必须停机更换导向滑靴，可见导向滑靴属于易损部件。
2、采煤机滑靴失效参数表征
附图3示出了采煤机滑靴失效参数表征检测曲线。当采煤机启动时，采煤机滑靴以平均7.7m/min的线速度，沿工作面往复运动；当滑靴应力峰值达到30MPa时，滑靴受到的截割阻力最大；当磨粒侵入滑靴时，牵引力随载荷的增大而增大。由附图3可知，在采煤机滑靴失效过程中，加载力曲线表征滑靴受到的负载随摩擦系数增大而产生的波动变化；牵引力曲线表征滑靴受到的牵引力随摩擦系数的增大而增大。从图中可以看出，负载力、牵引力和摩擦系数是影响滑靴失效磨损的表征参数。
3、设计检测机构
包括如下设计内容：1)设计试样夹紧装置；2)设计介质池，承载杂质，使其与试样摩擦，模拟滑靴磨粒磨损工况；3)设计加载机构，实现对采煤机自重的模拟；设计驱动机构，模拟滑靴的移动；4)设计传感器，实现根据实际工况选定的失效参数的数据采集。
1)加载与驱动结构设计
附图4示出了检测机构示意图。由附图4可知，加载装置采用丝杆结构实现加载力加载；左右加载手柄连接加载丝杠，加载滑台固定在加载丝杠上；加载滑台下装有四个测力传感器，测力传感器固定在上下连接板之间的四个角上；下连接板与上夹具固定连接，当转动加载手柄时，实现在导轨试样上施加加载力的功能。
由附图4可知，驱动结构主要实现导轨试样的相对滑动；上夹具、下夹具实现固定导轨试样；下夹具与移动滑台固定，移动滑台与传动丝杠配合运动；介质池实现对实际工况的模拟功能；当伺服电机启动时，传动丝杠与移动滑台转动，实现导轨试样和下夹具的线性移动；传动丝杠采用轴承座中的圆锥滚子轴承支承，满足其轴向受力的需要。
2)测力传感器设计
测力传感器是实现检测电压得到摩擦力Fx、加载力Fy的重要部件。附图5示出了测力传感器结构。由附图5可知，测力传感器主要由铝合金等材料制成的弹性体和两个应变片组成。当加载力和导轨的摩擦力作用在弹性体上时，弹性体处于压弯状态，应变片也发生形变，其形变量和弹性体表面形变相同，检测应变片电阻的变化率确定弹性体上应变片所处的表层应变情况，即能求解弹性体的受力情况。应变片被粘贴在弹性体与x轴垂直的两个面上，随弹性体一起伸缩。在导轨试样相互摩擦的过程中，测力传感器受到x方向的摩擦力Fx，和y方向的加载力Fy，弹性体可将外载荷转换为应变量，检测应变片电信号变化，通过矩阵算法计算出加载的压力Fy和导轨所受摩擦力Fx。
但是，当电阻应变片形变时，电阻的阻值变化较小，测量出的电压信号十分微弱，因此为得到有效的电信号，必须设计出合理的检测电路。
3)检测电路设计
检测电路设计要实现对应变片微小阻值变化的有效检测。附图6示出了应变片信号检测电路。由附图6可知，检测电路采用两组惠斯通电桥1/4单臂电桥，使每个应变片对应一组电桥，满足应变片微小阻值变化的测量要求。
根据1/4单臂电桥检测电压ΔU，可得
由(1)式可知，1/4单臂惠斯通电桥电路检测的电压ΔU和弹性体表层应变ε(应变片应变ε)成正比关系。R1为电阻应变片，原始阻值为120Ω，R2、R3和R4均为120±0.1Ω高精度电阻。将传感器上的两个电阻应变片分别接入2个1/4单臂中，得到两路电压信号ΔU1和ΔU2，分别和弹性体与x轴垂直两个表面的应变ε成线性关系。两路电压信号ΔU1和ΔU2的有效测量，为分析摩擦力Fx、加载力Fy奠定了基础。
4)失效参数与电信号的转换
分析摩擦力、加载力与检测电压，可以模拟滑靴失效过程中摩擦系数的变化趋势。检测电压ΔU1，ΔU2受到加载力Fy与摩擦力Fx相互影响，存在扭转变形电压ΔUt和压力偏差ΔUp。
测力传感器上端与加载装置固定，当加载装置处于工作状态时，传感器的弹性体处于压弯组合状态。加载力Fy与压力偏差ΔUp成线性关系：
测力传感器下端与上夹具连接，当行走装置处于工作状态时，传感器的弹性体处于悬臂梁状态，受到的转矩为：
式中：ρ为中性层的曲率半径，弹性体长度为L，弹性体宽度为b，高h，由于弹性体为悬臂梁受力类型，故与下端面距离y处截面所受扭矩M＝Fx·y，则h/2ρ为弹性体距离下端面为y的横截面表面应变(即应变片检测所得应变)，对其进行积分，得到弹性体伸长ΔL：
化简得式(5)，摩擦力Fx与其造成的扭转变形电压ΔUt成线性关系。
在加载力Fy与摩擦力Fx作用下，两个检测应变片的1/4单臂电桥检测得到的电压ΔU1、ΔU2与扭转变形电压ΔUt、压力偏差ΔUp直接的关系为：
正向压力与两应变片的变形方向相同，而受摩擦力时两应变片的变形方向相反，故表征导轨所受摩擦力Fx和加载力Fy的电压偏差ΔUx、ΔUy分别为：
由式(7)可知理想状态下测力传感器的弹性体，表征量信号只由单一方向力引起，不受其他方向力的影响。
5)电信号解耦分析
当测力传感器同时检测加载力和摩擦力时，易产生维间耦合现象。消除或抑制此类问题，一般采用模拟或数字信号处理方法，通过选取表征量，计算解耦矩阵。加载力Fy、摩擦力Fx和表征电压偏差ΔUx、ΔUy成线性关系，可以采用多元线性拟合求解解耦矩阵。加载力Fy、摩擦力Fx与检测信号的关系为U＝FP，即：
其中，U为检测电压向量，Fy为加载压力，Fx为摩擦力，P为解耦矩阵。其元素Pyx的物理意义为：当加载Fy＝1，Fx＝0时，得到检测电压Ux，解耦矩阵P通过标定获得。
6)测力传感器标定
在x轴方向加载一组大小成梯度分布的力Fxi，电桥输出应变片的电压变化量ΔU1和ΔU2；根据(6)式转化成表征信号ΔUx和ΔUy。以Fxi为横坐标，表征电信号ΔUx和ΔUy分别为纵坐标，采用最小二乘法拟合两条直线。附图7、附图8示出了弹性体的静态标定。由附图7，得到x方向输出信号特性曲线，其中：
ΔUx＝4.25221Fx+0.36384
ΔUy＝0.01779Fx-0.83001
两条直线方程中的斜率分别对应耦合矩阵中的Pxx，Pxy。
由附图8可知，以Fyi为横坐标，电信号ΔUx和ΔUy分别为纵坐标，采用最小二乘法拟合直线，得到y方向输出信号特性曲线，其中：
ΔUx＝-5.23076×10-4Fy+0.27291
ΔUy＝0.40725Fy-0.13645
两直线方程中的斜率分别对应耦合矩阵中的Pyy，Pyx。可得到力与检测信号的关系矩阵P和P-1。
为测量传感器输出信号变化量，计算传感器受到的加载力和摩擦力，根据(8)式方程，即可得到力关于表征量的关系矩阵：
将表征量ΔUx和ΔUy带入上述关系式，可求出摩擦力Fx和加载压力Fy。通过改变加载压力Fy，实时检测与之相对应的摩擦力Fx；由摩擦力Fx和加载压力Fy关系确定摩擦系数μ，得到加载压力Fy、摩擦力Fx、摩擦系数μ之间的关系。
4、采煤机磨损检测
1)滑靴工况模拟实验
滑靴工况模拟实验是用检测机构模拟实际工况，采集导轨试样的加载力和摩擦力，分析加载力、摩擦力与摩擦系数的检测曲线与实际工况是否一致，验证检测方法的有效性。实验中，导向滑靴与销排采用例如ZG35CrMnSi的材质，两者构成摩擦副；采集若干组Ux、Uy数据，得到与之相关的摩擦力Fx、加载力Fy以及摩擦系数μ的变化情况。
本检测方法通过实验验证表明：导轨试样不同阶段受到的牵引力、载荷、摩擦系数的变化曲线与附图3所示的实际工况基本吻合。因此，本检测方法能够模拟实际工况并且有效。
附图9示出了Fx、Fy、μ三者之间变化曲线。由附图9可知，第1组数据：未对耐磨层造成影响；第2组数据：进入第2阶段，出现槽状磨痕；进入第3阶段时，表面出现剥落碎片；第4阶段，失效。导轨试样从槽状磨痕到层状或鳞片剥落碎片，出现塑性变形的过程。
5、失效机理分析
当采煤机牵引电机启动时，采煤机导向滑靴的平均线速度为7.7m/min，应力峰值为30MPa。附图10示出了采煤机导向滑靴磨损机理图。由附图10可知，采煤机工作过程中，煤块及煤矸石侵入导向滑靴与销排之间，使二者的接触状态恶化，在采煤机的自重及煤层对滚筒作用力的垂直分力作用下，高硬度的煤矸石颗粒压嵌入导向滑靴与销排的接触表面，使滑靴表面承受的接触应力变大；进入导向滑靴与销排之间的高硬度煤矸石颗粒在运动过程中起到磨粒的作用，导致导向滑靴与销排在工作时的摩擦力增大，滑靴摩擦表面发生表面剪切、犁皱和犁削，在磨粒磨损和塑性变形作用下，滑靴表面会被挤压出层状或鳞片状的剥落碎片，最终失效。
磨损解决方案
经检测后得出如下结论：在磨粒侵入下，采煤机滑靴失效的机理为滑靴与销排接触面间的磨粒磨损。表面损坏形式为擦伤，划伤，犁沟及凹坑。而影响磨损的因素为硬质颗粒数量及尺寸，硬质合金的表面硬度及接触应力。解决措施为：
1)由于滑靴工作环境复杂多变，采用高强度高耐磨性的材料制造滑靴。可以采用有一定强度和耐磨性的钢材，如45钢，作为滑靴基体，然后再在其表面沉积硬质润滑涂层，如DLC(类金刚石碳，Diamond-like Carbon)薄膜，来改善其综合摩擦学性能。
2)合理选择平滑靴的规格：针对大倾角俯斜回采过程中导向滑靴损坏的情况，入井前提前做好煤壁侧平滑靴的加宽、加厚、加高，提高采煤机的平衡性能，降低导向滑靴的磨损程度。
本发明的优点和有益效果为：本发明提出了一种检测采煤机磨损的方法，并通过实验验证了该方法的有效性，在检测数据支持下，分析了采煤机易损部件磨损及失效的机理，并给出了针对性的解决方案，是一种开创性的工作，填补了采煤机磨损检测方法及解决方案的空白，具有重要的理论和应用价值。
附图说明
附图1是本发明所述的双滚筒采煤机结构图。
图中：14为机身、11为摇臂、12为截割滚筒、13为调高机构、15为滑靴。
附图2是本发明所述的双滚筒采煤机的易损件工况图。
图中：18为导向滑靴、19为齿轮箱、20为销、21为销排。
附图3是本发明所述的采煤机滑靴失效参数表征检测曲线图。
附图4是本发明所述的检测实验台原理图。
图中：1为加载手柄、2为加载丝杠、3为加载滑台、4为测力传感器、5为上夹具、6为下夹具、7为移动滑台、8为传动丝杠、9为介质池、10为伺服电机。
附图5是本发明所述的测力传感器结构图。
图中，16为弹性体，17为应变片。
附图6是本发明所述的应变片信号检测电路图。
附图7是本发明所述的弹性体x方向静态标定图。
附图8是本发明所述的弹性体y方向静态标定图。
附图9是本发明所述的Fx、Fy、μ三者之间变化曲线图。
附图10是本发明所述的采煤机滑靴磨损失效机理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例
参见附图，本实施例以双滚筒采煤机为研究对象，并且以导向滑靴为易磨损部件，设计试验检测并验证本发明所述方法的正确性。包括以下步骤。
1、采煤机工况分析与易损部件选定
参见附图1，采煤机主要由机身14、摇臂11、截割滚筒12、调高机构13、滑靴15组成。摇臂11前端与截割滚筒12连接，实现截割顶煤和底煤；摇臂11后端与调高机构13铰接在机身14两侧，由调高机构13控制截割滚筒高度；滑靴15与机身连接，跨骑在刮板输送机上，沿着刮板输送机前进或后退。
参见附图2，在采空区侧，导向滑靴18与刮板输送机销排21啮合，形成销排齿条运动副；导向滑靴18承载采煤机自重、过煤量及截割阻力。当采煤机运转时，导向滑靴18与销排21相对运动，产生摩擦；当煤块或矸石侵入导向滑靴18与销排21之间，导向滑靴18牵引力逐渐增大，摩擦力随之增大。因此，在实际工况中，采煤机工作面每推进1500m，就必须停机更换导向滑靴18，可见导向滑靴18属于易损部件。
2、采煤机滑靴失效参数表征
当采煤机启动时，采煤机滑靴以平均7.7m/min的线速度，沿工作面往复运动；当滑靴应力峰值达到30MPa时，滑靴受到的截割阻力最大；当磨粒侵入滑靴时，牵引力随载荷的增大而增大。参见附图3可知，在采煤机滑靴失效过程中，加载力表征滑靴受到的负载，随摩擦系数增大而产生的波动变化；牵引力曲线表征滑靴受到的牵引力，随摩擦系数的增大而增大。从附图3中可以看出，负载、牵引力和摩擦系数是影响滑靴失效进程的主要因素。
3、设计检测机构
包括如下设计内容：1)设计试样夹紧装置；2)设计介质池，承载磨粒，使其与试样摩擦，模拟滑靴磨损工况；3)设计加载机构，实现对采煤机自重的模拟；设计驱动机构，模拟滑靴与销排之间的摩擦状态；4)设计传感器，实现根据实际工况选定的表征参数的数据采集。
1)加载与驱动结构设计
参见附图4，加载装置采用丝杆结构实现加载力加载；左右加载手柄1连接加载丝杠2，加载滑台3固定在加载丝杠2上；加载滑台3下，装有四个测力传感器4，测力传感器4固定在上下连接板之间的四个角；下连接板与上夹具5固定连接，当转动加载手柄1时，实现在导轨试样上施加加载力的功能。
参见附图4，驱动结构主要实现导轨试样的相对滑动；上夹具5、下夹具6实现固定导轨试样；下夹具6与移动滑台7固定，移动滑台7与传动丝杠8配合运动；介质池9实现模拟实际工况；当伺服电机10启动时，传动丝杠8与移动滑台7转动，实现导轨试样和下夹具6的线性移动；传动丝杠8采用轴承座中的圆锥滚子轴承支承，满足其轴向受力的需要。
2)测力传感器设计
参见附图5，测力传感器主要由铝合金弹性体16和两个应变片17组成。应变片17被粘贴在弹性体与x轴垂直的两个面上，随弹性体一起伸缩。
3)检测电路设计
参见附图6，检测电路采用两组惠斯通电桥1/4单臂电桥，使每个应变片对应一组电桥，满足应变片微小阻值变化的测量要求。
4)分析失效参数与电信号的转换
检测电压ΔU1，ΔU2受到加载力Fy与摩擦力Fx相互影响，存在扭转变形电压ΔUt和压力偏差ΔUp。
在加载力Fy与摩擦力Fx作用下，两个检测应变片的1/4单臂电桥检测得到的电压ΔU1、ΔU2与扭转变形电压ΔUt、压力偏差ΔUp直接的关系为：
正向压力与两应变片的变形方向相同，而受摩擦力时两应变片的变形方向相反，故表征导轨所受摩擦力Fx和加载力Fy的电压偏差ΔUx、ΔUy分别为：
由式(7)可知理想状态下测力传感器的弹性体，表征量信号只由单一方向力引起，不受其他方向力的影响。
5)电信号解耦分析
加载力Fy、摩擦力Fx和表征电压偏差ΔUx、ΔUy成线性关系，可以采用多元线性拟合求解解耦矩阵。加载力Fy、摩擦力Fx与检测信号的关系为U＝FP，即：
其中，U为检测电压向量，Fy为加载压力，Fx为摩擦力，P为解耦矩阵。其元素Pyx的物理意义为：当加载Fy＝1，Fx＝0时，得到检测电压Ux，解耦矩阵P通过标定获得。
6)测力传感器标定
在x轴方向加载一组大小成梯度分布的力Fxi，电桥输出应变片的电压变化量ΔU1和ΔU2；根据(6)式转化成表征信号ΔUx和ΔUy。以Fxi为横坐标，表征电信号ΔUx和ΔUy分别为纵坐标，采用最小二乘法拟合两条直线。参见附图7，得到x方向输出信号特性曲线，其中：
ΔUx＝4.25221Fx+0.36384
ΔUy＝0.01779Fx-0.83001
两条直线方程中的斜率分别对应耦合矩阵中的Pxx，Pxy。
参见附图8，以Fyi为横坐标，电信号ΔUx和ΔUy分别为纵坐标，采用最小二乘法拟合直线，得到y方向输出信号特性曲线，其中：
ΔUx＝-5.23076×10-4Fy+0.27291
ΔUy＝0.40725Fy-0.13645
两直线方程中的斜率分别对应耦合矩阵中的Pyy，Pyx。可得到力与检测信号的关系矩阵P和P-1。
为测量传感器输出信号变化量，计算传感器受到的加载力和摩擦力，根据(8)式方程，即可得到力关于表征量的关系矩阵：
将表征量ΔUx和ΔUy带入上述关系式即可求出摩擦力Fx和加载压力Fy。通过改变加载压力Fy，实时检测与之相对应的摩擦力Fx；由摩擦力Fx和加载压力Fy关系确定摩擦系数μ，得到加载压力Fy、摩擦力Fx、摩擦系数μ之间的关系。
4、采煤机磨损检测
1)滑靴工况模拟实验
用检测机构模拟实际工况采集导轨试样的加载力和摩擦力，分析加载力、摩擦力与摩擦系数的检测曲线与实际工况是否一致，验证检测方法的有效性。实验采用材质为ZG35CrMnSi的导向滑靴与销排，采集10组Ux、Uy数据，得到与之相关的摩擦力Fx、加载力Fy以及摩擦系数μ的变化情况。如表1所示。
表1实验测试数据
参见附图9，第1组数据：未对耐磨层造成影响；第2组数据：进入第2阶段，出现槽状磨痕；进入第3阶段时，表面出现剥落碎片；第4阶段，失效。导轨试样从槽状磨痕到层状或鳞片剥落碎片，出现塑性变形的过程。
本实施例通过实验验证表明：其不同阶段受到的牵引力、载荷、摩擦系数的变化曲线与附图3所示的实际工况基本吻合。因此，本发明所述的检测方法能够模拟实际工况并且有效。
5、失效机理分析
当采煤机牵引电机启动时，采煤机导向滑靴的平均线速度为7.7m/min，应力峰值为30MPa。参见附图10(A)，采煤机工作过程中，煤块及煤矸石侵入导向滑靴与销排之间，使二者的接触状态恶化，在采煤机的自重及煤层对滚筒作用力的垂直分力作用下，高硬度的煤矸石颗粒压嵌入导向滑靴与销排的接触表面，使滑靴表面承受的接触应力变大。参见附图10(B)，进入导向滑靴与销排之间的高硬度煤矸石颗粒在运动过程中起到磨粒的作用，导致导向滑靴与销排在工作时的摩擦力增大，滑靴摩擦表面发生表面剪切、犁皱和犁削，在磨粒磨损和塑性变形作用下，滑靴表面会被挤压出层状或鳞片状的剥落碎片，最终失效。
针对上述分析得到的采煤机导向滑靴的失效机理，本实施例给出以下解决方案：
1)采用45钢作为滑靴基体，然后再在其表面沉积DLC薄膜，来改善其综合摩擦学性能；
2)入井前提前做好煤壁侧平滑靴的加宽、加厚、加高，提高采煤机的平衡性能，降低导向滑靴的磨损程度。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。