鋼繩芯膠帶輸送機是目前礦山、冶金、電力、建筑等部門廣泛采用的一種連續運輸機械，是煤礦井下生產的主要運輸設備，其運行狀況正常與否，將直接影響到煤礦的生產效率及生產安全。在我國的煤礦行業，鋼芯帶接頭斷裂、縱向撕帶、膠帶機火災等事故時有發生，給煤礦生產帶來巨大的直接及間接經濟損失、給工人的人身安全造成嚴重危害。目前在我國，針對上述三類故障的實時監控技術均不太可靠和成熟。有關鋼繩芯膠帶輸送機實時綜合保護技術與系統的研究也比較欠缺。鑒于此，本文提出了一套用于鋼繩芯膠帶輸送機接頭斷裂、縱向撕帶、火災、張力超限等故障在線監測與診斷的新方法和新技術，并基于此設計研制一種用于鋼繩芯膠帶輸送機實時綜合保護的新型系統：
1、接頭斷裂及張力超限的監測
1-1  接頭斷裂及張力超限的診斷方法
    以往的接頭斷裂監測方法可分為兩類：一類是直接檢測接頭區內鋼繩芯的損傷情況（如：斷絲、銹蝕、移位等）及其與粘結層之間的粘結情況；另一類是通過檢測由于接頭內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“起泡”現象等）來推斷接頭的損傷情況：而所有這些傷情及其產生的接頭特征變化，都將會反映在接頭長度和剛度的變化上。所以，只要能夠測得反映接頭本質特性的F上（張力．長度）曲線，便可根據這一特性曲線的變化來推斷接頭的損傷情況。
    當某接頭受到較為嚴重的損傷或超限的張力時，部分鋼繩芯首先開始抽動，則該接頭的固有特性曲線F-/曲線（圖1），必然會因為接頭永久性變形的產生而沿上軸方向“漂移”，同時曲線的斜率也會由于接頭剛度和強度的變化（變弱）而變化（減小）。隨著接頭傷情的不斷發展，抽動的鋼繩芯數目及區域愈來愈大，接頭的永久性變形也會愈來愈大，接頭的強度和剛度愈來愈低，反映在F-/曲線上則是曲線的“漂移”量及斜率減小量也愈來愈大。因此，可以通過監測接頭的F-/特征曲線，了解各個接頭的損傷情況及其發展速度，采用闊值報警和趨勢分析相結合的方法，進行接頭損傷及斷裂的診斷和預報。
    報警閾值的設置包括兩個方面：一為最大許用張力的設置。當膠帶所受的張力，大到某值。時，接頭內的部分鋼繩芯粘結層便會遭受嚴重破壞，開始出現抽絲現象，剛度顯著變化，并有被拉斷的可能。因此，最大許用張力應設定在Fmax，其值可按原帶的設計強度以及不同搭接方式下接頭強度的最低保持率等來估計其最小值。二為最大允許塑性變形量的設置。有關試驗及現場調查表明：當接頭的“起泡”抽絲區域達到1/3帶寬時，接頭區的塑性變形量將達到lOmm以上，這時該接頭的強度已嚴重下降，并隨時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，還可以根據每個接頭的F-/特征曲線的“漂移”變化趨勢、大小和速度來分析判斷該接頭的損傷情況和嚴重程度，并作出趨勢預報。
    由于接頭是整條鋼芯帶的縱向抗拉強度最低的環節，因而張力超限的閾值設置應主要針對接頭的保護進行，通常可設置為接頭的最大許用張力
1.2接頭長度的測量原理
    接頭長度在線瀏量的原理如圖2所示。當膠帶運行至靠近主動滾筒時，膠帶緊邊所受的張力最大，相應的接頭變形量也會最大，因而監測點應選在該處。在膠帶接頭區預埋2對磁塊，當磁塊通過膠帶正下方的霍爾元件時則會產生一串脈沖信號。將其送至監測計算機，便可通過測算脈沖的時間間隔得到膠帶的運行速度和接頭的長度。
1.3膠帶張力的監測原理
    膠帶張力的測量原理如圖3所示。通常，鋼繩芯膠帶在產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，可以通過給2個托輪或滾筒之間的膠帶施加一個集中載荷G，使其產生一定的撓度fmax，然后通過測量C來求得此時膠帶所受的張力F，計算公式
如下：
式中：Go為2個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／可提高測量的靈敏度，但廠不宜過大，因為f過大時，膠帶便不能處理成撓性體，無法得到上述關系式；同時還會給壓力測量傳感器的選用以及加壓裝置的設計帶來困難，因而通常選擇廠<2%。另外測量裝置應安裝在膠帶的張力最大點。
2、鋼芯帶縱向撕裂的監測
2.1  鋼芯帶撕帶的機理
    礦用鋼繩芯膠帶輸送機膠帶縱向撕裂事故主要發生在機尾裝載點處，其主要原因是落料口落下的煤中時常會夾帶著大塊的矸石、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。當這些異物落下后卡在架子或托輥上時，會形成對膠帶表層的頂壓和持續劃擦，且愈卡愈緊，給膠帶的壓力也愈來愈大，使其對膠帶的劃傷愈來愈深，并最終扎穿膠帶形成撕帶。
2.2鋼芯帶縱向撕裂的監測原理
    由上述分析可知，要形成撕帶，膠帶必定受到一個向下的附加壓力，且這個壓力將持續一定時間，直到膠帶扎穿，隨后將會顯著減小。所以我們可以通過監測膠帶在落料口處所受向下壓力的大小及變化情況來監測和診斷膠帶縱向撕裂事故。由于膠帶是運動的，其受力不易直接監測，但其所受的向下壓力將會侍遞給托輥，因此可通過在托輥上安裝相應的傳感器來監測其受力情況。膠帶正常運行時，膠帶和托輥受到的力相對較為平穩，有異物卡住發生撕帶事故時，膠帶及托輥將會受到一個較大的附加壓力，且伴隨著膠帶被劃傷刺穿的過程，這一附加壓力至少會持續300ms以上。針對撕帶信號的上述特征，我們可以通過監測膠帶在落料口的受力情況，并以力信號在一定時間內的積分是否超過閾值作為撕帶與否的判斷標準，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。
2.3撕帶監測傳感器的選用與安裝
    測力傳感器選用金屬應變式拉壓力傳感器，它具有測量精度高、抗側向力強、安裝方便等特點。安裝時，首先取下落料口的三聯托輥，將每組槽型三聯托輥中靠兩邊的托輥換為內部裝有力傳感器的特制測力托輥。如果帶式輸送機裝載點的緩沖托輥不是三聯式，則應改為三聯式。
2.4撕帶信號的識別及變換
    正常工作情況時，作用在傳感器上的力來自膠帶的自重、托輥的重量以及煤的重量，對于1—1.2m帶寬的膠帶機，滿載工作時，上述三種作用力在垂直方向的合力大約為750～1030。機尾受料口發生撕帶時，將會有異物給膠帶一個附加的壓力，該壓力也會通過膠帶和托輥作用于測力傳感器。模擬撕帶試驗的結果表明：對于1.2m寬的膠帶，這一附加壓力值至少要在1960N以上才會導致撕帶。這一附加壓力值將會使傳感器受到的力較正常工作時增大近1倍，變化顯著，因而可用力信號在300ms內的積分值是否超過閾值判斷撕帶與否。信號變送電路的原理框圖如圖4所示。
3、膠帶機火災的監測
    現場調研及資料檢索的結果表明：引發膠帶輸送機火災的三種主要原因是：滾筒打滑、托輥超溫、外界火源。
3.1滾筒打滑的監測
由于膠帶機滾筒直徑一般較大，又是旋轉體，這給接觸式溫度傳感器的安裝和測量帶來很大困難；同時非接觸式測溫的精度和可靠性又會受到環境污染、探測距離等因素的影響，因而用測溫的方法監測滾筒打滑并不實用。本文選用直接測量滑差率的方法，通過設置最大允許滑差率及持續時間來實現對滾筒摩擦起火的早期監測和預報。當滑差率>10%、持續打滑超過60s則給出報警，超過5min則控制停機。另外當滑差率較長時間處于2%-10%時，也給出警示。
    鑒于霍爾開關傳感器還具有優良的環境適應性，潮濕、油污和潤滑劑等毫不影響其靈敏度和測量精度等優點，所以本文選用霍爾開關傳感器測量滾筒的轉速和膠帶的運行速度。模擬試驗及應用表明：利用霍爾傳感器進行轉速和帶速的測量具有很高的測量精度和可靠性。
3.2托輥超溫的監測
    考慮到托輥在損壞以前一直在轉動，難以直接測量其表面溫度，同時由于托輥軸不轉，且托輥直徑較小，有利于表面溫度向軸上傳遞，所以可以將測溫傳感器安裝在托輥軸端，通過監測軸端溫度控制托輥的表面溫度。有關試驗結果表明，鋼芯帶冒煙溫度為250—2700C，煤粉為330～350℃。但由于井下使用的機械油的閃點溫度為190 0C，因而煤礦井下設備使用安全規程中規定機械設備表面溫度不得超過150℃，所以托輥表面濕度的報警閾值也應設置在150℃。另外，由于可能引起的膠帶著火的托輥主要是靠近機尾處的下托輥，所以可重點對靠近機尾的幾十組下托輥進行監測。
    本文選用形狀記憶合金研制了一種開關型溫度傳感器，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，它就會產生相應的形變，并觸發一微動開關閉合，從而輸出一個開關信號。模擬散熱條件下的托輥摩擦溫升試驗結果表明，采用標稱溫度為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。
3.3外界火源的監測
    當意外火源和隱蔽火源出現時，則會引起周圍環境溫度的升高，因此可通過監測膠帶機巷道內的環境溫度，實現對外界火源引發的膠帶機火災的早期預報。在膠帶機巷全程上每隔一段距離(30—40m)安裝一組環境溫度傳感器，監測環境溫升情況，溫升過高則給出報警。
    本文仍選用記憶合金作為溫敏元件，研制了環境溫度監測傳感器。在膠帶機巷全程上，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），一旦環境溫度升高到傳感器的記憶溫度之一，則相應的記憶合金開關動作，給出一個報警信號。
3.4超溫火源定位的原理
    對于托輥超溫及環境超溫的監測需要進行火源定位，因此，需要設法對原始的開關信號進行變換處理，使其既是一個報警信號又包含著故障位置的信息。針對這種利用開關型傳感器進行多點監測的特點，采用電阻網絡變換法進行故障定位，其變送原理如圖5所示。圖中溫敏開關表示記憶合金溫度傳感器。當某個托輥或某點的環境溫度超過規定閾值時，則引起溫敏開關閉合。可通過測量輸出電壓Uo值來判斷有無超溫以及超溫點的位置‘u：
4計算機實時工況監測與故障診斷系統
    本文開發了一種基于80C196單片機的鋼繩芯膠帶機實時工況監測與綜合保護系統。主要用于膠帶的接頭斷裂及張力超限的監測和預報、膠帶縱向撕帶的監測、膠帶機火災的監測和預報、滾筒打滑的監測等。系統的構成如圖6所示，分為機頭監測子系統和機尾監測子系統。
4.1  機頭監測子系統
    用于監測接頭的損傷與斷裂、膠帶張力超限、機頭滾筒打滑、機巷環境超溫等故障。用于接頭長度測量的霍爾元件的輸出序列脈沖信號送至單片機的HSI口后，由單片機直接記錄其到達時刻，經計算后便可得到接頭長度L0同時由A/D口測取接頭通過期間張力的平均值作為對應的張力值F。為了提高測量精度，需對測得的F、￡值進行預處理。系統首先經過一段時間的試運行和標定，獲取每個接頭的F-/基準標定曲線，并用線性回歸法得到其剛度參數K0進入實時監測狀態后，便可通過將實測數據與標定曲線比較，進行閾值分析和趨勢分析，判明每個接頭的損傷情況及其發展的趨勢和速度，及時給出警報。將環境超溫傳感器變送電路的輸出電壓信號送至機頭單片機的A/D口，根據其電壓值判斷膠帶機巷道內是否存在環境超溫及超溫地點，并及時報警顯示。
    另外，實際系統中由于不可能控制得十分準確，因而測得的F值可能會與實際值有一定的線性誤差，但這是一種穩定的系統誤差，所以不會影響對斷帶故障的診斷。同時，由于膠帶的設計安全系數通常為10，因而即使是三級搭接（強度保持率r/=75%），R。、至少也是最大工作載荷的3.75倍以上，所以，的這個較小的測量誤差也不會影響對膠帶張力超限的監測。通常，在實際監測系統中，可將Fmax設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機尾監測子系統
    機尾監測子系統用于監測膠帶縱向撕帶、機尾滾筒打滑、托輥超溫等故障。將機尾各落料口處的撕帶監測裝置輸出的報警開關信號送至機尾單片機的HSj口，由機尾的監測主機將撕帶信息通過RS-485串行通訊總線送至機頭監測主機，并由機頭監測主機負責撕帶報警及控制。將托輥超溫傳感器變送電路的輸出電壓信號送至機尾單片機的A/D口，由測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，則將有關信息送至機頭監測主機并報警顯示。
5、結束語
    本文的研究工作是結合原煤炭工業部部級科研項目“鋼繩芯膠帶輸送機實時工況監測系統”進行的。提出了基于接頭F-/曲線測量與分析進行接頭損傷與斷裂診斷、膠帶張力在線監測以及采用形狀記憶合金溫度傳感器進行托輥超溫及環境超溫監測等新方法。本文所述的有關方法和技術已被應用到作者研制開發的“鋼繩芯膠帶輸送機實時綜合保護系統”中，并已在山西礦務局投入實際應用，使用情況良好。
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