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钢绳芯胶带输送机实时工况监测与故障诊断方法
发布时间：2015-06-29 22:15 来源：未知
钢绳芯胶带输送机是目前矿山、冶金、电力、建筑等部门广泛采用的一种连续运输机械，是煤矿井下生产的主要运输设备，其运行状况正常与否，将直接影响到煤矿的生产效率及生产安全。在我国的煤矿行业，钢芯带接头断裂、纵向撕带、胶带机火灾等事故时有发生，给煤矿生产带来巨大的直接及间接经济损失、给工人的人身安全造成严重危害。目前在我国，针对上述三类故障的实时监控技术均不太可靠和成熟。有关钢绳芯胶带输送机实时综合保护技术与系统的研究也比较欠缺。鉴于此，本文提出了一套用于钢绳芯胶带输送机接头断裂、纵向撕带、火灾、张力超限等故障在线监测与诊断的新方法和新技术，并基于此设计研制一种用于钢绳芯胶带输送机实时综合保护的新型系统：
1、接头断裂及张力超限的监测
1-1 接头断裂及张力超限的诊断方法
以往的接头断裂监测方法可分为两类：一类是直接检测接头区内钢绳芯的损伤情况（如：断丝、锈蚀、移位等）及其与粘结层之间的粘结情况；另一类是通过检测由于接头内部损伤而引起的覆盖层表面的形貌特征变化（如：拉伸变形情况、有无“起泡”现象等）来推断接头的损伤情况：而所有这些伤情及其产生的接头特征变化，都将会反映在接头长度和刚度的变化上。所以，只要能够测得反映接头本质特性的F上（张力．长度）曲线，便可根据这一特性曲线的变化来推断接头的损伤情况。
当某接头受到较为严重的损伤或超限的张力时，部分钢绳芯首先开始抽动，则该接头的固有特性曲线F-/曲线（图1），必然会因为接头永久性变形的产生而沿上轴方向“漂移”，同时曲线的斜率也会由于接头刚度和强度的变化（变弱）而变化（减小）。随着接头伤情的不断发展，抽动的钢绳芯数目及区域愈来愈大，接头的永久性变形也会愈来愈大，接头的强度和刚度愈来愈低，反映在F-/曲线上则是曲线的“漂移”量及斜率减小量也愈来愈大。因此，可以通过监测接头的F-/特征曲线，了解各个接头的损伤情况及其发展速度，采用阔值报警和趋势分析相结合的方法，进行接头损伤及断裂的诊断和预报。
报警阈值的设置包括两个方面：一为最大许用张力的设置。当胶带所受的张力，大到某值。时，接头内的部分钢绳芯粘结层便会遭受严重破坏，开始出现抽丝现象，刚度显著变化，并有被拉断的可能。因此，最大许用张力应设定在Fmax，其值可按原带的设计强度以及不同搭接方式下接头强度的最低保持率等来估计其最小值。二为最大允许塑性变形量的设置。有关试验及现场调查表明：当接头的“起泡”抽丝区域达到1/3带宽时，接头区的塑性变形量将达到lOmm以上，这时该接头的强度已严重下降，并随时存在着伤情裂变和突然被拉断的可能。因此，可令最大允许塑性变形量Am。。=lOmm。此外，还可以根据每个接头的F-/特征曲线的“漂移”变化趋势、大小和速度来分析判断该接头的损伤情况和严重程度，并作出趋势预报。
由于接头是整条钢芯带的纵向抗拉强度最低的环节，因而张力超限的阈值设置应主要针对接头的保护进行，通常可设置为接头的最大许用张力
1.2接头长度的测量原理
接头长度在线浏量的原理如图2所示。当胶带运行至靠近主动滚筒时，胶带紧边所受的张力最大，相应的接头变形量也会最大，因而监测点应选在该处。在胶带接头区预埋2对磁块，当磁块通过胶带正下方的霍尔元件时则会产生一串脉冲信号。将其送至监测计算机，便可通过测算脉冲的时间间隔得到胶带的运行速度和接头的长度。
1.3胶带张力的监测原理
胶带张力的测量原理如图3所示。通常，钢绳芯胶带在产生较小挠度的情况下可以被看成是挠性体，即胶带任意断面不受弯矩。因此，可以通过给2个托轮或滚筒之间的胶带施加一个集中载荷G，使其产生一定的挠度fmax，然后通过测量C来求得此时胶带所受的张力F，计算公式
如下：
式中：Go为2个托轮或滚筒之间胶带的自重；厂max/S为单位跨度上的最大挠度。值得注意的是，虽然加大／可提高测量的灵敏度，但厂不宜过大，因为f过大时，胶带便不能处理成挠性体，无法得到上述关系式；同时还会给压力测量传感器的选用以及加压装置的设计带来困难，因而通常选择厂<2%。另外测量装置应安装在胶带的张力最大点。
2、钢芯带纵向撕裂的监测
2.1 钢芯带撕带的机理
矿用钢绳芯胶带输送机胶带纵向撕裂事故主要发生在机尾装载点处，其主要原因是落料口落下的煤中时常会夹带着大块的矸石、铁钎、角钢、槽钢等异物，这些异物通常有着锐利的边口，极易扎伤胶带。当这些异物落下后卡在架子或托辊上时，会形成对胶带表层的顶压和持续划擦，且愈卡愈紧，给胶带的压力也愈来愈大，使其对胶带的划伤愈来愈深，并最终扎穿胶带形成撕带。
2.2钢芯带纵向撕裂的监测原理
由上述分析可知，要形成撕带，胶带必定受到一个向下的附加压力，且这个压力将持续一定时间，直到胶带扎穿，随后将会显著减小。所以我们可以通过监测胶带在落料口处所受向下压力的大小及变化情况来监测和诊断胶带纵向撕裂事故。由于胶带是运动的，其受力不易直接监测，但其所受的向下压力将会侍递给托辊，因此可通过在托辊上安装相应的传感器来监测其受力情况。胶带正常运行时，胶带和托辊受到的力相对较为平稳，有异物卡住发生撕带事故时，胶带及托辊将会受到一个较大的附加压力，且伴随着胶带被划伤刺穿的过程，这一附加压力至少会持续300ms以上。针对撕带信号的上述特征，我们可以通过监测胶带在落料口的受力情况，并以力信号在一定时间内的积分是否超过阈值作为撕带与否的判断标准，这样可以防止因落料口落下大块的煤或矸石等引起冲击力而造成的误报。
2.3撕带监测传感器的选用与安装
测力传感器选用金属应变式拉压力传感器，它具有测量精度高、抗侧向力强、安装方便等特点。安装时，首先取下落料口的三联托辊，将每组槽型三联托辊中靠两边的托辊换为内部装有力传感器的特制测力托辊。如果带式输送机装载点的缓冲托辊不是三联式，则应改为三联式。
2.4撕带信号的识别及变换
正常工作情况时，作用在传感器上的力来自胶带的自重、托辊的重量以及煤的重量，对于1—1.2m带宽的胶带机，满载工作时，上述三种作用力在垂直方向的合力大约为750～1030。机尾受料口发生撕带时，将会有异物给胶带一个附加的压力，该压力也会通过胶带和托辊作用于测力传感器。模拟撕带试验的结果表明：对于1.2m宽的胶带，这一附加压力值至少要在1960N以上才会导致撕带。这一附加压力值将会使传感器受到的力较正常工作时增大近1倍，变化显著，因而可用力信号在300ms内的积分值是否超过阈值判断撕带与否。信号变送电路的原理框图如图4所示。
3、胶带机火灾的监测
现场调研及资料检索的结果表明：引发胶带输送机火灾的三种主要原因是：滚筒打滑、托辊超温、外界火源。
3.1滚筒打滑的监测
由于胶带机滚筒直径一般较大，又是旋转体，这给接触式温度传感器的安装和测量带来很大困难；同时非接触式测温的精度和可靠性又会受到环境污染、探测距离等因素的影响，因而用测温的方法监测滚筒打滑并不实用。本文选用直接测量滑差率的方法，通过设置最大允许滑差率及持续时间来实现对滚筒摩擦起火的早期监测和预报。当滑差率>10%、持续打滑超过60s则给出报警，超过5min则控制停机。另外当滑差率较长时间处于2%-10%时，也给出警示。
鉴于霍尔开关传感器还具有优良的环境适应性，潮湿、油污和润滑剂等毫不影响其灵敏度和测量精度等优点，所以本文选用霍尔开关传感器测量滚筒的转速和胶带的运行速度。模拟试验及应用表明：利用霍尔传感器进行转速和带速的测量具有很高的测量精度和可靠性。
3.2托辊超温的监测
考虑到托辊在损坏以前一直在转动，难以直接测量其表面温度，同时由于托辊轴不转，且托辊直径较小，有利于表面温度向轴上传递，所以可以将测温传感器安装在托辊轴端，通过监测轴端温度控制托辊的表面温度。有关试验结果表明，钢芯带冒烟温度为250—2700C，煤粉为330～350℃。但由于井下使用的机械油的闪点温度为190 0C，因而煤矿井下设备使用安全规程中规定机械设备表面温度不得超过150℃，所以托辊表面湿度的报警阈值也应设置在150℃。另外，由于可能引起的胶带着火的托辊主要是靠近机尾处的下托辊，所以可重点对靠近机尾的几十组下托辊进行监测。
本文选用形状记忆合金研制了一种开关型温度传感器，并将其安装在托辊轴端，一旦形状记忆合金感受的温度升高到其记忆温度，它就会产生相应的形变，并触发一微动开关闭合，从而输出一个开关信号。模拟散热条件下的托辊摩擦温升试验结果表明，采用标称温度为80℃的记忆合金，便可将托辊表面的温度基本上控制在150℃以内。
3.3外界火源的监测
当意外火源和隐蔽火源出现时，则会引起周围环境温度的升高，因此可通过监测胶带机巷道内的环境温度，实现对外界火源引发的胶带机火灾的早期预报。在胶带机巷全程上每隔一段距离(30—40m)安装一组环境温度传感器，监测环境温升情况，温升过高则给出报警。
本文仍选用记忆合金作为温敏元件，研制了环境温度监测传感器。在胶带机巷全程上，每隔一段距离安装一组具有不同记忆温度的记忆合金温度传感器（比如60、80℃等），一旦环境温度升高到传感器的记忆温度之一，则相应的记忆合金开关动作，给出一个报警信号。
3.4超温火源定位的原理
对于托辊超温及环境超温的监测需要进行火源定位，因此，需要设法对原始的开关信号进行变换处理，使其既是一个报警信号又包含着故障位置的信息。针对这种利用开关型传感器进行多点监测的特点，采用电阻网络变换法进行故障定位，其变送原理如图5所示。图中温敏开关表示记忆合金温度传感器。当某个托辊或某点的环境温度超过规定阈值时，则引起温敏开关闭合。可通过测量输出电压Uo值来判断有无超温以及超温点的位置‘u：
4计算机实时工况监测与故障诊断系统
本文开发了一种基于80C196单片机的钢绳芯胶带机实时工况监测与综合保护系统。主要用于胶带的接头断裂及张力超限的监测和预报、胶带纵向撕带的监测、胶带机火灾的监测和预报、滚筒打滑的监测等。系统的构成如图6所示，分为机头监测子系统和机尾监测子系统。
4.1 机头监测子系统
用于监测接头的损伤与断裂、胶带张力超限、机头滚筒打滑、机巷环境超温等故障。用于接头长度测量的霍尔元件的输出序列脉冲信号送至单片机的HSI口后，由单片机直接记录其到达时刻，经计算后便可得到接头长度L0同时由A/D口测取接头通过期间张力的平均值作为对应的张力值F。为了提高测量精度，需对测得的F、￡值进行预处理。系统首先经过一段时间的试运行和标定，获取每个接头的F-/基准标定曲线，并用线性回归法得到其刚度参数K0进入实时监测状态后，便可通过将实测数据与标定曲线比较，进行阈值分析和趋势分析，判明每个接头的损伤情况及其发展的趋势和速度，及时给出警报。将环境超温传感器变送电路的输出电压信号送至机头单片机的A/D口，根据其电压值判断胶带机巷道内是否存在环境超温及超温地点，并及时报警显示。
另外，实际系统中由于不可能控制得十分准确，因而测得的F值可能会与实际值有一定的线性误差，但这是一种稳定的系统误差，所以不会影响对断带故障的诊断。同时，由于胶带的设计安全系数通常为10，因而即使是三级搭接（强度保持率r/=75%），R。、至少也是最大工作载荷的3.75倍以上，所以，的这个较小的测量误差也不会影响对胶带张力超限的监测。通常，在实际监测系统中，可将Fmax设置为平常最大工作载荷的2—3倍，以便使胶带免受异常载荷的拉伤。
4.2机尾监测子系统
机尾监测子系统用于监测胶带纵向撕带、机尾滚筒打滑、托辊超温等故障。将机尾各落料口处的撕带监测装置输出的报警开关信号送至机尾单片机的HSj口，由机尾的监测主机将撕带信息通过RS-485串行通讯总线送至机头监测主机，并由机头监测主机负责撕带报警及控制。将托辊超温传感器变送电路的输出电压信号送至机尾单片机的A/D口，由测得的电压值判断是否有托辊超温以及超温托辊的位置，若有托辊超温，则将有关信息送至机头监测主机并报警显示。
5、结束语
本文的研究工作是结合原煤炭工业部部级科研项目“钢绳芯胶带输送机实时工况监测系统”进行的。提出了基于接头F-/曲线测量与分析进行接头损伤与断裂诊断、胶带张力在线监测以及采用形状记忆合金温度传感器进行托辊超温及环境超温监测等新方法。本文所述的有关方法和技术已被应用到作者研制开发的“钢绳芯胶带输送机实时综合保护系统”中，并已在山西矿务局投入实际应用，使用情况良好。
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