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    鋼繩芯膠帶輸送機(jī)是目前礦山、冶金、電力、建筑等部門廣泛采用的一種連續(xù)運(yùn)輸機(jī)械，是煤礦井下生產(chǎn)的主要運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行狀況正常與否，將直接影響到煤礦的生產(chǎn)效率及生產(chǎn)安全。在我國(guó)的煤礦行業(yè)，鋼芯帶接頭斷裂、縱向撕帶、膠帶機(jī)火災(zāi)等事故時(shí)有發(fā)生，給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)巨大的直接及間接經(jīng)濟(jì)損失、給工人的人身安全造成嚴(yán)重危害。目前在我國(guó)，針對(duì)上述三類故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)均不太可靠和成熟。有關(guān)鋼繩芯膠帶輸送機(jī)實(shí)時(shí)綜合保護(hù)技術(shù)與系統(tǒng)的研究也比較欠缺。鑒于此，本文提出了一套用于鋼繩芯膠帶輸送機(jī)接頭斷裂、縱向撕帶、火災(zāi)、張力超限等故障在線監(jiān)測(cè)與診斷的新方法和新技術(shù)，并基于此設(shè)計(jì)研制一種用于鋼繩芯膠帶輸送機(jī)實(shí)時(shí)綜合保護(hù)的新型系統(tǒng)：
1、接頭斷裂及張力超限的監(jiān)測(cè)
1-1  接頭斷裂及張力超限的診斷方法
    以往的接頭斷裂監(jiān)測(cè)方法可分為兩類：一類是直接檢測(cè)接頭區(qū)內(nèi)鋼繩芯的損傷情況（如：斷絲、銹蝕、移位等）及其與粘結(jié)層之間的粘結(jié)情況；另一類是通過(guò)檢測(cè)由于接頭內(nèi)部損傷而引起的覆蓋層表面的形貌特征變化（如：拉伸變形情況、有無(wú)“起泡”現(xiàn)象等）來(lái)推斷接頭的損傷情況：而所有這些傷情及其產(chǎn)生的接頭特征變化，都將會(huì)反映在接頭長(zhǎng)度和剛度的變化上。所以，只要能夠測(cè)得反映接頭本質(zhì)特性的F上（張力．長(zhǎng)度）曲線，便可根據(jù)這一特性曲線的變化來(lái)推斷接頭的損傷情況。
    當(dāng)某接頭受到較為嚴(yán)重的損傷或超限的張力時(shí)，部分鋼繩芯首先開(kāi)始抽動(dòng)，則該接頭的固有特性曲線F-/曲線（圖1），必然會(huì)因?yàn)榻宇^永久性變形的產(chǎn)生而沿上軸方向“漂移”，同時(shí)曲線的斜率也會(huì)由于接頭剛度和強(qiáng)度的變化（變?nèi)酰┒�變化（減小）。隨著接頭傷情的不斷發(fā)展，抽動(dòng)的鋼繩芯數(shù)目及區(qū)域愈來(lái)愈大，接頭的永久性變形也會(huì)愈來(lái)愈大，接頭的強(qiáng)度和剛度愈來(lái)愈低，反映在F-/曲線上則是曲線的“漂移”量及斜率減小量也愈來(lái)愈大。因此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)接頭的F-/特征曲線，了解各個(gè)接頭的損傷情況及其發(fā)展速度，采用闊值報(bào)警和趨勢(shì)分析相結(jié)合的方法，進(jìn)行接頭損傷及斷裂的診斷和預(yù)報(bào)。
    報(bào)警閾值的設(shè)置包括兩個(gè)方面：一為最大許用張力的設(shè)置。當(dāng)膠帶所受的張力，大到某值。時(shí)，接頭內(nèi)的部分鋼繩芯粘結(jié)層便會(huì)遭受嚴(yán)重破壞，開(kāi)始出現(xiàn)抽絲現(xiàn)象，剛度顯著變化，并有被拉斷的可能。因此，最大許用張力應(yīng)設(shè)定在Fmax，其值可按原帶的設(shè)計(jì)強(qiáng)度以及不同搭接方式下接頭強(qiáng)度的最低保持率等來(lái)估計(jì)其最小值。二為最大允許塑性變形量的設(shè)置。有關(guān)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明：當(dāng)接頭的“起泡”抽絲區(qū)域達(dá)到1/3帶寬時(shí)，接頭區(qū)的塑性變形量將達(dá)到lOmm以上，這時(shí)該接頭的強(qiáng)度已嚴(yán)重下降，并隨時(shí)存在著傷情裂變和突然被拉斷的可能。因此，可令最大允許塑性變形量Am。。=lOmm。此外，還可以根據(jù)每個(gè)接頭的F-/特征曲線的“漂移”變化趨勢(shì)、大小和速度來(lái)分析判斷該接頭的損傷情況和嚴(yán)重程度，并作出趨勢(shì)預(yù)報(bào)。
    由于接頭是整條鋼芯帶的縱向抗拉強(qiáng)度最低的環(huán)節(jié)，因而張力超限的閾值設(shè)置應(yīng)主要針對(duì)接頭的保護(hù)進(jìn)行，通常可設(shè)置為接頭的最大許用張力
1.2接頭長(zhǎng)度的測(cè)量原理
    接頭長(zhǎng)度在線瀏量的原理如圖2所示。當(dāng)膠帶運(yùn)行至靠近主動(dòng)滾筒時(shí)，膠帶緊邊所受的張力最大，相應(yīng)的接頭變形量也會(huì)最大，因而監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在該處。在膠帶接頭區(qū)預(yù)埋2對(duì)磁塊，當(dāng)磁塊通過(guò)膠帶正下方的霍爾元件時(shí)則會(huì)產(chǎn)生一串脈沖信號(hào)。將其送至監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，便可通過(guò)測(cè)算脈沖的時(shí)間間隔得到膠帶的運(yùn)行速度和接頭的長(zhǎng)度。
1.3膠帶張力的監(jiān)測(cè)原理
    膠帶張力的測(cè)量原理如圖3所示。通常，鋼繩芯膠帶在產(chǎn)生較小撓度的情況下可以被看成是撓性體，即膠帶任意斷面不受彎矩。因此，可以通過(guò)給2個(gè)托輪或滾筒之間的膠帶施加一個(gè)集中載荷G，使其產(chǎn)生一定的撓度f(wàn)max，然后通過(guò)測(cè)量C來(lái)求得此時(shí)膠帶所受的張力F，計(jì)算公式
如下：
式中：Go為2個(gè)托輪或滾筒之間膠帶的自重；廠max/S為單位跨度上的最大撓度。值得注意的是，雖然加大／可提高測(cè)量的靈敏度，但廠不宜過(guò)大，因?yàn)閒過(guò)大時(shí)，膠帶便不能處理成撓性體，無(wú)法得到上述關(guān)系式；同時(shí)還會(huì)給壓力測(cè)量傳感器的選用以及加壓裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，因而通常選擇廠<2%。另外測(cè)量裝置應(yīng)安裝在膠帶的張力最大點(diǎn)。
2、鋼芯帶縱向撕裂的監(jiān)測(cè)
2.1  鋼芯帶撕帶的機(jī)理
    礦用鋼繩芯膠帶輸送機(jī)膠帶縱向撕裂事故主要發(fā)生在機(jī)尾裝載點(diǎn)處，其主要原因是落料口落下的煤中時(shí)常會(huì)夾帶著大塊的矸石、鐵釬、角鋼、槽鋼等異物，這些異物通常有著銳利的邊口，極易扎傷膠帶。當(dāng)這些異物落下后卡在架子或托輥上時(shí)，會(huì)形成對(duì)膠帶表層的頂壓和持續(xù)劃擦，且愈卡愈緊，給膠帶的壓力也愈來(lái)愈大，使其對(duì)膠帶的劃傷愈來(lái)愈深，并最終扎穿膠帶形成撕帶。
2.2鋼芯帶縱向撕裂的監(jiān)測(cè)原理
    由上述分析可知，要形成撕帶，膠帶必定受到一個(gè)向下的附加壓力，且這個(gè)壓力將持續(xù)一定時(shí)間，直到膠帶扎穿，隨后將會(huì)顯著減小。所以我們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)膠帶在落料口處所受向下壓力的大小及變化情況來(lái)監(jiān)測(cè)和診斷膠帶縱向撕裂事故。由于膠帶是運(yùn)動(dòng)的，其受力不易直接監(jiān)測(cè)，但其所受的向下壓力將會(huì)侍遞給托輥，因此可通過(guò)在托輥上安裝相應(yīng)的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)其受力情況。膠帶正常運(yùn)行時(shí)，膠帶和托輥受到的力相對(duì)較為平穩(wěn)，有異物卡住發(fā)生撕帶事故時(shí)，膠帶及托輥將會(huì)受到一個(gè)較大的附加壓力，且伴隨著膠帶被劃傷刺穿的過(guò)程，這一附加壓力至少會(huì)持續(xù)300ms以上。針對(duì)撕帶信號(hào)的上述特征，我們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)膠帶在落料口的受力情況，并以力信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)的積分是否超過(guò)閾值作為撕帶與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以防止因落料口落下大塊的煤或矸石等引起沖擊力而造成的誤報(bào)。
2.3撕帶監(jiān)測(cè)傳感器的選用與安裝
    測(cè)力傳感器選用金屬應(yīng)變式拉壓力傳感器，它具有測(cè)量精度高、抗側(cè)向力強(qiáng)、安裝方便等特點(diǎn)。安裝時(shí)，首先取下落料口的三聯(lián)托輥，將每組槽型三聯(lián)托輥中靠?jī)蛇叺耐休亾Q為內(nèi)部裝有力傳感器的特制測(cè)力托輥。如果帶式輸送機(jī)裝載點(diǎn)的緩沖托輥不是三聯(lián)式，則應(yīng)改為三聯(lián)式。
2.4撕帶信號(hào)的識(shí)別及變換
    正常工作情況時(shí)，作用在傳感器上的力來(lái)自膠帶的自重、托輥的重量以及煤的重量，對(duì)于1—1.2m帶寬的膠帶機(jī)，滿載工作時(shí)，上述三種作用力在垂直方向的合力大約為750～1030。機(jī)尾受料口發(fā)生撕帶時(shí)，將會(huì)有異物給膠帶一個(gè)附加的壓力，該壓力也會(huì)通過(guò)膠帶和托輥?zhàn)饔糜跍y(cè)力傳感器。模擬撕帶試驗(yàn)的結(jié)果表明：對(duì)于1.2m寬的膠帶，這一附加壓力值至少要在1960N以上才會(huì)導(dǎo)致撕帶。這一附加壓力值將會(huì)使傳感器受到的力較正常工作時(shí)增大近1倍，變化顯著，因而可用力信號(hào)在300ms內(nèi)的積分值是否超過(guò)閾值判斷撕帶與否。信號(hào)變送電路的原理框圖如圖4所示。
3、膠帶機(jī)火災(zāi)的監(jiān)測(cè)
    現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及資料檢索的結(jié)果表明：引發(fā)膠帶輸送機(jī)火災(zāi)的三種主要原因是：滾筒打滑、托輥超溫、外界火源。
3.1滾筒打滑的監(jiān)測(cè)
由于膠帶機(jī)滾筒直徑一般較大，又是旋轉(zhuǎn)體，這給接觸式溫度傳感器的安裝和測(cè)量帶來(lái)很大困難；同時(shí)非接觸式測(cè)溫的精度和可靠性又會(huì)受到環(huán)境污染、探測(cè)距離等因素的影響，因而用測(cè)溫的方法監(jiān)測(cè)滾筒打滑并不實(shí)用。本文選用直接測(cè)量滑差率的方法，通過(guò)設(shè)置最大允許滑差率及持續(xù)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒摩擦起火的早期監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。當(dāng)滑差率>10%、持續(xù)打滑超過(guò)60s則給出報(bào)警，超過(guò)5min則控制停機(jī)。另外當(dāng)滑差率較長(zhǎng)時(shí)間處于2%-10%時(shí)，也給出警示。
    鑒于霍爾開(kāi)關(guān)傳感器還具有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性，潮濕、油污和潤(rùn)滑劑等毫不影響其靈敏度和測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)，所以本文選用霍爾開(kāi)關(guān)傳感器測(cè)量滾筒的轉(zhuǎn)速和膠帶的運(yùn)行速度。模擬試驗(yàn)及應(yīng)用表明：利用霍爾傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速和帶速的測(cè)量具有很高的測(cè)量精度和可靠性。
3.2托輥超溫的監(jiān)測(cè)
    考慮到托輥在損壞以前一直在轉(zhuǎn)動(dòng)，難以直接測(cè)量其表面溫度，同時(shí)由于托輥軸不轉(zhuǎn)，且托輥直徑較小，有利于表面溫度向軸上傳遞，所以可以將測(cè)溫傳感器安裝在托輥軸端，通過(guò)監(jiān)測(cè)軸端溫度控制托輥的表面溫度。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼芯帶冒煙溫度為250—2700C，煤粉為330～350℃。但由于井下使用的機(jī)械油的閃點(diǎn)溫度為190 0C，因而煤礦井下設(shè)備使用安全規(guī)程中規(guī)定機(jī)械設(shè)備表面溫度不得超過(guò)150℃，所以托輥表面濕度的報(bào)警閾值也應(yīng)設(shè)置在150℃。另外，由于可能引起的膠帶著火的托輥主要是靠近機(jī)尾處的下托輥，所以可重點(diǎn)對(duì)靠近機(jī)尾的幾十組下托輥進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
    本文選用形狀記憶合金研制了一種開(kāi)關(guān)型溫度傳感器，并將其安裝在托輥軸端，一旦形狀記憶合金感受的溫度升高到其記憶溫度，它就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變，并觸發(fā)一微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合，從而輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。模擬散熱條件下的托輥摩擦溫升試驗(yàn)結(jié)果表明，采用標(biāo)稱溫度為80℃的記憶合金，便可將托輥表面的溫度基本上控制在150℃以內(nèi)。
3.3外界火源的監(jiān)測(cè)
    當(dāng)意外火源和隱蔽火源出現(xiàn)時(shí)，則會(huì)引起周圍環(huán)境溫度的升高，因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)膠帶機(jī)巷道內(nèi)的環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界火源引發(fā)的膠帶機(jī)火災(zāi)的早期預(yù)報(bào)。在膠帶機(jī)巷全程上每隔一段距離(30—40m)安裝一組環(huán)境溫度傳感器，監(jiān)測(cè)環(huán)境溫升情況，溫升過(guò)高則給出報(bào)警。
    本文仍選用記憶合金作為溫敏元件，研制了環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)傳感器。在膠帶機(jī)巷全程上，每隔一段距離安裝一組具有不同記憶溫度的記憶合金溫度傳感器（比如60、80℃等），一旦環(huán)境溫度升高到傳感器的記憶溫度之一，則相應(yīng)的記憶合金開(kāi)關(guān)動(dòng)作，給出一個(gè)報(bào)警信號(hào)。
3.4超溫火源定位的原理
    對(duì)于托輥超溫及環(huán)境超溫的監(jiān)測(cè)需要進(jìn)行火源定位，因此，需要設(shè)法對(duì)原始的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行變換處理，使其既是一個(gè)報(bào)警信號(hào)又包含著故障位置的信息。針對(duì)這種利用開(kāi)關(guān)型傳感器進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，采用電阻網(wǎng)絡(luò)變換法進(jìn)行故障定位，其變送原理如圖5所示。圖中溫敏開(kāi)關(guān)表示記憶合金溫度傳感器。當(dāng)某個(gè)托輥或某點(diǎn)的環(huán)境溫度超過(guò)規(guī)定閾值時(shí)，則引起溫敏開(kāi)關(guān)閉合。可通過(guò)測(cè)量輸出電壓Uo值來(lái)判斷有無(wú)超溫以及超溫點(diǎn)的位置‘u：
4計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)
    本文開(kāi)發(fā)了一種基于80C196單片機(jī)的鋼繩芯膠帶機(jī)實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)與綜合保護(hù)系統(tǒng)。主要用于膠帶的接頭斷裂及張力超限的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、膠帶縱向撕帶的監(jiān)測(cè)、膠帶機(jī)火災(zāi)的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、滾筒打滑的監(jiān)測(cè)等。系統(tǒng)的構(gòu)成如圖6所示，分為機(jī)頭監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和機(jī)尾監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。
4.1  機(jī)頭監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)
    用于監(jiān)測(cè)接頭的損傷與斷裂、膠帶張力超限、機(jī)頭滾筒打滑、機(jī)巷環(huán)境超溫等故障。用于接頭長(zhǎng)度測(cè)量的霍爾元件的輸出序列脈沖信號(hào)送至單片機(jī)的HSI口后，由單片機(jī)直接記錄其到達(dá)時(shí)刻，經(jīng)計(jì)算后便可得到接頭長(zhǎng)度L0同時(shí)由A/D口測(cè)取接頭通過(guò)期間張力的平均值作為對(duì)應(yīng)的張力值F。為了提高測(cè)量精度，需對(duì)測(cè)得的F、￡值進(jìn)行預(yù)處理。系統(tǒng)首先經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行和標(biāo)定，獲取每個(gè)接頭的F-/基準(zhǔn)標(biāo)定曲線，并用線性回歸法得到其剛度參數(shù)K0進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)后，便可通過(guò)將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)定曲線比較，進(jìn)行閾值分析和趨勢(shì)分析，判明每個(gè)接頭的損傷情況及其發(fā)展的趨勢(shì)和速度，及時(shí)給出警報(bào)。將環(huán)境超溫傳感器變送電路的輸出電壓信號(hào)送至機(jī)頭單片機(jī)的A/D口，根據(jù)其電壓值判斷膠帶機(jī)巷道內(nèi)是否存在環(huán)境超溫及超溫地點(diǎn)，并及時(shí)報(bào)警顯示。
    另外，實(shí)際系統(tǒng)中由于不可能控制得十分準(zhǔn)確，因而測(cè)得的F值可能會(huì)與實(shí)際值有一定的線性誤差，但這是一種穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差，所以不會(huì)影響對(duì)斷帶故障的診斷。同時(shí)，由于膠帶的設(shè)計(jì)安全系數(shù)通常為10，因而即使是三級(jí)搭接（強(qiáng)度保持率r/=75%），R。、至少也是最大工作載荷的3.75倍以上，所以，的這個(gè)較小的測(cè)量誤差也不會(huì)影響對(duì)膠帶張力超限的監(jiān)測(cè)。通常，在實(shí)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可將Fmax設(shè)置為平常最大工作載荷的2—3倍，以便使膠帶免受異常載荷的拉傷。
4.2機(jī)尾監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)
    機(jī)尾監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)膠帶縱向撕帶、機(jī)尾滾筒打滑、托輥超溫等故障。將機(jī)尾各落料口處的撕帶監(jiān)測(cè)裝置輸出的報(bào)警開(kāi)關(guān)信號(hào)送至機(jī)尾單片機(jī)的HSj口，由機(jī)尾的監(jiān)測(cè)主機(jī)將撕帶信息通過(guò)RS-485串行通訊總線送至機(jī)頭監(jiān)測(cè)主機(jī)，并由機(jī)頭監(jiān)測(cè)主機(jī)負(fù)責(zé)撕帶報(bào)警及控制。將托輥超溫傳感器變送電路的輸出電壓信號(hào)送至機(jī)尾單片機(jī)的A/D口，由測(cè)得的電壓值判斷是否有托輥超溫以及超溫托輥的位置，若有托輥超溫，則將有關(guān)信息送至機(jī)頭監(jiān)測(cè)主機(jī)并報(bào)警顯示。
5、結(jié)束語(yǔ)
    本文的研究工作是結(jié)合原煤炭工業(yè)部部級(jí)科研項(xiàng)目“鋼繩芯膠帶輸送機(jī)實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”進(jìn)行的。提出了基于接頭F-/曲線測(cè)量與分析進(jìn)行接頭損傷與斷裂診斷、膠帶張力在線監(jiān)測(cè)以及采用形狀記憶合金溫度傳感器進(jìn)行托輥超溫及環(huán)境超溫監(jiān)測(cè)等新方法。本文所述的有關(guān)方法和技術(shù)已被應(yīng)用到作者研制開(kāi)發(fā)的“鋼繩芯膠帶輸送機(jī)實(shí)時(shí)綜合保護(hù)系統(tǒng)”中，并已在山西礦務(wù)局投入實(shí)際應(yīng)用，使用情況良好。
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