基于激光傳感器技術(shù)的膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置的研究

陳炳耀 孫建平 朱東岳

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010)

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化★

基于激光傳感器技術(shù)的膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置的研究

陳炳耀 孫建平 朱東岳

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010)

分析了膠帶的撕裂原因，介紹了膠帶撕裂監(jiān)測保護(hù)研究現(xiàn)狀及存在的問題，提出了基于激光傳感器技術(shù)來進(jìn)行膠帶縱向撕裂監(jiān)測的方法，詳細(xì)闡述了膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置的研發(fā)。實際應(yīng)用表明，該裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果。

激光傳感器 膠帶縱向撕裂 保護(hù)裝置

由于帶式輸送機(jī)具有長距離連續(xù)運(yùn)輸、運(yùn)行可靠與易于實現(xiàn)自動化等特點，因此在煤礦企業(yè)地面和井下原煤運(yùn)輸中廣泛應(yīng)用。膠帶是帶式輸送機(jī)的主要組成部分，在帶式輸送機(jī)中即是牽引機(jī)構(gòu)又是承載機(jī)構(gòu)，用量較大且成本較高，約占帶式輸送機(jī)成本的50%左右，如果膠帶發(fā)生撕裂事故，則經(jīng)濟(jì)損失巨大。膠帶事故嚴(yán)重時還會毀壞機(jī)架、減速器以及電動機(jī)等相關(guān)設(shè)備，造成膠帶和物料的大量堆積，甚至人員傷亡。因此，研究膠帶撕裂保護(hù)裝置十分必要。

1 膠帶撕裂原因分析

通過對膠帶縱向撕裂事故分析和資料查詢發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機(jī)的膠帶縱向撕裂易發(fā)生在輸送機(jī)落料點處，發(fā)生撕裂的主要原因主要有以下幾點：

(1)尖銳物(如矸石、大塊廢鋼鐵、木棒等)刺穿膠帶，卡在輸送機(jī)機(jī)架或托輥上，不能隨物料前進(jìn)，而膠帶繼續(xù)高速運(yùn)行造成撕裂。

(2)堅硬物料堆積在進(jìn)料漏斗與膠帶之間或清掃器與膠帶之間，逐漸磨透膠帶造成撕裂。

(3)膠帶壽命、跑偏以及托輥端蓋未焊好等原因也會造成膠帶撕裂。

2 膠帶撕裂監(jiān)測方法分析

根據(jù)膠帶撕裂的原因，國內(nèi)外專家對膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置進(jìn)行了大量分析研究，提出了多種監(jiān)測方法，這些方法大致可以分為以下四大類：

(1)第一類為膠帶縱向撕裂后，會產(chǎn)生漏料這一伴隨現(xiàn)象，對漏料信號進(jìn)行采集，實現(xiàn)膠帶縱向撕裂保護(hù)。主要保護(hù)方式有落料稱重傳感式、落料觸碰拉繩開關(guān)式、落料平衡翻板開關(guān)式、落料紅外傳感式。

(2)第二類為膠帶信號預(yù)埋式，在制造膠帶時，提前置入封閉導(dǎo)線、金屬線圈、磁性棒等縱向撕裂的傳感信號源，利用檢測這個信號源來實現(xiàn)縱向撕裂保護(hù)。

(3)第三類為負(fù)荷式，利用縱向撕裂時負(fù)載突變來監(jiān)測電動機(jī)運(yùn)行功率變化實現(xiàn)保護(hù)；或者利用尖銳物卡在輸送機(jī)機(jī)架或托輥上，造成托輥架受力發(fā)生突變來監(jiān)測是否發(fā)生撕裂。

(4)第四類為場景圖像識別方式，利用高精度攝像設(shè)備進(jìn)行圖像識別，來判斷膠帶是否縱向撕裂等方式。

然而，上述這些方法目前存在著以下不同程度的缺點：

(1)落料稱重傳感式。該方式在非撕裂情況下落入異物會引起誤動作，因為現(xiàn)場工作環(huán)境較差，在短時間內(nèi)積塵也會引起誤動作。

(2)落料觸碰拉繩開關(guān)式。該方式在非撕裂情況下落入異物會引起誤動作，要求縱向撕裂后落料的粒度大于50 mm時，才會觸碰到拉繩，而縱向撕裂漏料的粒度一般都較小，要等到縱向撕裂后膠帶中間的縫隙大于50 mm時才會動作，存在保護(hù)可靠性較差的問題。

(3)落料平衡翻板開關(guān)式。該方式在非撕裂情況下落入異物會引起誤動作，因現(xiàn)場工作環(huán)境較差，在短時間內(nèi)積塵造成不平衡也會引起誤動作。開關(guān)式?jīng)]有智能功能，只要傳感開關(guān)動作就會有輸出信號，平衡板在非保護(hù)位置也會自動平衡，存在誤動作區(qū)域。

(4)落料紅外傳感式。紅外線的特征是聚焦性能較差，發(fā)射為圓錐柱狀，對漏料的粒度反應(yīng)不敏感，且有漫反射現(xiàn)象，一個發(fā)射傳感器可以同時給多個接收傳感器發(fā)送信號，造成漏料后不動作現(xiàn)象。紅外線具有一定的穿透性能，當(dāng)漏料量較少時，也存在不動作的可能性。

(5)膠帶信號預(yù)埋式。膠帶在制造過程中，提前置入傳感信號源，造成制造成本昂貴。一般膠帶廠家都不生產(chǎn)，使用單位也極少采購。如果在膠帶生產(chǎn)后再置入，則造成膠帶的二次損傷嚴(yán)重。

(6)負(fù)載突變式。膠帶運(yùn)行時的工況是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，負(fù)載會隨著物料多少變化，變化范圍很寬，目前此類保護(hù)只停留在研究階段，沒有實物產(chǎn)品可以使用。

(7)圖像識別式。膠帶運(yùn)行一段時間后，表面的圖像復(fù)雜多變，需要較為清晰的圖像計算機(jī)軟件才能分析識別。同時圖像識別技術(shù)需要的環(huán)境條件要相當(dāng)好，而生產(chǎn)現(xiàn)場條件一般都達(dá)不到圖像識別的要求，造成這類保護(hù)裝置的使用范圍較小。

3 膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置的研發(fā)

礦用帶式輸送機(jī)的工作環(huán)境惡劣，在工作過程中不僅受到各種電磁信號干擾，同時還受到大量灰塵、油污及不同光譜光線的干擾。所以，凡是用于帶式輸送機(jī)膠帶縱向撕裂檢測監(jiān)控裝置的各種傳感器就要能適應(yīng)井下各種惡劣環(huán)境，就應(yīng)該具有較高的可靠性及靈敏度以及很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，同時還需要具備很強(qiáng)的光線穿透能力、抗環(huán)境光干擾能力，這樣才能保證傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為故障分析判斷提供準(zhǔn)確依據(jù)。

膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置的激光發(fā)射和接收系統(tǒng)由兩部分組成，其中激光發(fā)射系統(tǒng)主要由脈沖激光發(fā)射管、激光驅(qū)動器、發(fā)射電路組成；接收系統(tǒng)主要由雪崩光電二極管、接收電路等組成。激光發(fā)射器發(fā)射一個或一列很窄的激光脈沖(脈沖寬度一般小于50 ns)光束，這個激光脈沖被激光光電傳感器接收到，接收器同樣產(chǎn)生一個脈沖，通過光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。恒功率激光發(fā)射器發(fā)出的信號經(jīng)接收器接收并經(jīng)過處理輸出電壓信號和邏輯信號，再送入主機(jī)進(jìn)行分析識別，做出是否發(fā)出警報或停機(jī)的命令。激光發(fā)射和接收結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光發(fā)射和接收結(jié)構(gòu)

該激光發(fā)射方案采用集成芯片硬件實現(xiàn)，有8個地址4組數(shù)據(jù)編碼。1～8是地址，10～13數(shù)據(jù)腳，調(diào)整Rosc決定振蕩頻率。接收裝置3DU接收紅光波段響應(yīng)速度快，靈敏度高；應(yīng)用集成電路接收模塊進(jìn)行檢波放大輸出，對應(yīng)U3解碼芯片，8個地址4組數(shù)據(jù)解碼輸出，1～8是地址，10～13數(shù)據(jù)腳；接收地址設(shè)置必須和發(fā)射地址一致，這樣才能使數(shù)據(jù)位可以接收到發(fā)射端數(shù)據(jù)的電平信號，對應(yīng)數(shù)據(jù)管腳輸出高電平，當(dāng)發(fā)射結(jié)束后，高電平隨之消失。17腳VT是信號接收確認(rèn)輸出，接收到信號輸出高電平。

4 膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置的工作原理

發(fā)生膠帶縱向撕裂的機(jī)率最高的位置是煤倉落料口，約占90%以上, 激光縱向撕裂保護(hù)裝置就裝在此處, 利用激光傳感器，對膠帶縱向撕裂后產(chǎn)生的漏料現(xiàn)象進(jìn)行取樣，取樣后的信號經(jīng)可編程控制器進(jìn)行分析、判斷、識別，如發(fā)現(xiàn)縱向撕裂，則發(fā)出控制信號，停止帶式輸送機(jī)的運(yùn)行，將縱向撕裂事故損失降低到最小。膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置安裝示意圖如圖2所示。

1-激光發(fā)射箱；2-激光接收控制箱；3-安裝支架；4-下膠帶；5-帶式輸送機(jī)支架；6-上膠帶圖2 膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置安裝示意圖

膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置安裝于距帶式輸送機(jī)易發(fā)生縱向撕裂位置(根據(jù)統(tǒng)計資料：發(fā)生縱向撕裂位置90%在輸送機(jī)落料點處，其它10%發(fā)生在導(dǎo)料槽處、除塵設(shè)備處、稱重設(shè)備處、取樣采集設(shè)備處等)的順物料的運(yùn)輸方向側(cè)10～20 m處，在安裝位置處，將激光發(fā)射箱、激光接收控制箱及安裝支架置于上膠帶和下膠帶之間，安裝支架與帶式輸送機(jī)支架的橫槽鋼相固定。激光發(fā)射箱和激光接收控制箱之間的間距為小于膠帶寬度200 mm，與帶式輸送機(jī)支架兩邊對稱安裝。

當(dāng)發(fā)生膠帶縱向撕裂事故時，防爆控制箱內(nèi)的動作控制輸出回路上的常閉觸點打開，執(zhí)行輸送機(jī)停車，同時報警控制輸出回路上的常開觸點閉合，發(fā)出聲光報警信號；當(dāng)未發(fā)生膠帶縱向撕裂而有異物落入、設(shè)備自檢有故障時，只發(fā)出報警信號而輸送機(jī)不停車。為保證激光傳感器能適應(yīng)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境，本保護(hù)裝置將激光發(fā)射和接收傳感器置于箱體內(nèi)，采用窗口式工作方式。

5 結(jié)語

2016年，基于激光傳感器技術(shù)的膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置在北方聯(lián)合電力公司魏家峁煤礦投入使用，使用近一年來，該裝置沒有發(fā)生任何誤動作，和主機(jī)接口完全兼容，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期效果，具體表現(xiàn)如下：

(1)激光發(fā)射光源穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，聚焦和定向發(fā)射性能好，靈敏度高。

(2)采用5 mm直徑的激光發(fā)射器可以識別5 mm及以上的漏料信號，保證了保護(hù)裝置的高靈敏性。

(3)9組激光傳感器間安裝距離為80 mm，對縱撕后漏料形成的漏料面有可靠的取樣功能。在程序設(shè)定時，只要有4組及以上信號有輸出時，或顆粒漏料使任意1組信號閃爍30次時就會執(zhí)行停車輸出，以防止有異物落入(異物落入形不成漏料面)而誤動作，當(dāng)有3個及以下傳感器有輸出信號時只報警，不執(zhí)行停車輸出，有效地提高了保護(hù)裝置的可靠性。

(4)為保證激光傳感器能適應(yīng)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境，本保護(hù)裝置將激光發(fā)射和接收傳感器置于箱體內(nèi)，采用窗口式發(fā)射和接收的工作方式。

[1] 錢永林.礦用帶式輸送機(jī)縱向撕裂監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2013 (1)

[2] 徐如強(qiáng)，林福嚴(yán)，苗長青．基于載荷譜的膠帶縱向撕裂監(jiān)測方法探討[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2009(8)

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[5] 祁雋燕, 譚超，李浩.基于機(jī)器視覺的膠帶縱向撕裂智能檢測[J].煤礦機(jī)械， 2006(11)

[6] 朱艷軍，任曉迪，席冉.煤礦主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測和防治系統(tǒng)研究 [J].中國煤炭，2014(4)

Researchonlongitudinaltearprotectiondeviceofconveyorbeltbasedonlasersensortechnology

Chen Bingyao, Sun Jianping, Zhu Dongyue

(College of Mining and Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mogolia 014010， China)

Based on analysis of tearing reason of conveyor belt and introduction of the status and existed problems of conveyor belt tearing monitoring and protection, a method of monitoring the longitudinal tearing of conveyor belt based on laser sensor technology was proposed, and the research and development process of longitudinal tear protection device of conveyor belt was elaborated. The practical application showed that the device operated steadily and reliably and reached expected effects.

laser sensor, conveyor belt longitudinal tear, protection device

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2016MS0549)——刮板輸送機(jī)刮板鏈保護(hù)裝置基礎(chǔ)問題研究

陳炳耀，孫建平，朱東岳. 基于激光傳感器技術(shù)的膠帶縱向撕裂保護(hù)裝置的研究[J].中國煤炭，2017，43(12)：102-104.

Chen Bingyao, Sun Jianping, Zhu Dongyue.Research on longitudinal tear protection device of conveyor belt based on laser sensor technology.[J].China Coal，2017，43(12)：102-104.

TD528.1

A

陳炳耀(1959-)，男，內(nèi)蒙古包頭人，副教授,現(xiàn)任職于內(nèi)蒙古科技大學(xué)，主要從事運(yùn)輸機(jī)械和提升機(jī)械的教學(xué)與研究。

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))