鋼繩芯皮帶輸送機(jī)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
關(guān)鍵詞 鋼繩芯皮帶機(jī) 火災(zāi) 監(jiān)控系統(tǒng)
火災(zāi)是帶式輸送機(jī)最嚴(yán)重的事故，一旦皮帶機(jī)著火，將造成重大的人員傷亡事故和巨大的財產(chǎn)損失。因此，實(shí)施對皮帶機(jī)的防火保護(hù)是非常必要的。
1 皮帶著火的原因分析
皮帶機(jī)著火的原因是多方面的，既有因皮帶機(jī)自身故障而引起的火災(zāi)，也有因附近其它火源而引起的皮帶機(jī)著火(如皖北礦務(wù)局劉橋一礦變電所著火引燃皮帶)。這里主要分析因皮帶機(jī)自身故障而引起火災(zāi)的原因。
1.1 主從動滾筒打滑
主從動滾筒打滑的原因很多，分析起來主要有以下幾方面：
(1)機(jī)頭埋煤
由于皮帶機(jī)司機(jī)精力不集中或上班睡覺，煤倉內(nèi)又缺少滿倉控制系統(tǒng)，造成滿倉后機(jī)頭堆煤，煤進(jìn)入滾筒表面與皮帶之間，降低滾筒與皮帶之間的摩擦系數(shù)而導(dǎo)致皮帶打滑。如徐州礦務(wù)局三河尖煤礦曾發(fā)生過一次機(jī)頭堆煤事故險些因皮帶打滑而發(fā)生火災(zāi)，峰峰礦務(wù)局薛村礦機(jī)頭堆煤造成皮帶打滑；
(2)主動滾筒表面的防滑膠嚴(yán)重磨損，表面摩擦系數(shù)下降而導(dǎo)致皮帶打滑；
(3)主動滾筒表面潮濕引起皮帶打滑；
(4)從動滾筒打滑的主要原因是從動滾筒軸承嚴(yán)重?fù)p壞卡死導(dǎo)致從動滾筒不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速下降，皮帶相對滾筒打滑。
不管是主動滾筒還是從動滾筒，一旦發(fā)生打滑，就會使?jié)L筒表面溫度升高。根據(jù)徐州礦務(wù)局試驗站試驗，皮帶打滑40min滾筒表面溫度就可達(dá)到320℃，皮帶開始冒煙。根據(jù)我們的試驗，該溫度已是著火溫度。因此說，主動滾筒和從動滾筒打滑是極其危險的，長時間打滑就可導(dǎo)致皮帶著火。
1.2 托輥不轉(zhuǎn)及皮帶在托輥表面滑動
根據(jù)調(diào)研結(jié)果來看，皮帶機(jī)著火事故中，由于托輥不轉(zhuǎn)而導(dǎo)致托輥溫度溫升著火是近年來煤礦皮帶機(jī)著火的主要原因之一。
由于井下環(huán)境條件較差，托輥軸承內(nèi)部容易進(jìn)入煤粉和灰塵。因此，托輥軸承壽命較短，軸承卡死后，皮帶將在托輥表面摩擦，托輥溫升很高。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查來看，托輥摩擦引起皮帶著火主要發(fā)生在停機(jī)之后。停機(jī)前，皮帶以2～3m/s的速度運(yùn)行，皮帶上固定點(diǎn)與托輥表面接觸的時間較短，皮帶溫升很小，且由于皮帶運(yùn)行過程中產(chǎn)生較大的氣流可以降低托輥表面的溫度。因此，正常運(yùn)行時皮帶不易著火。
調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)，下托輥不轉(zhuǎn)容易引起火災(zāi)。而上托輥不轉(zhuǎn)則不易引起火災(zāi)，并且引起著火不轉(zhuǎn)的下托輥周圍一般都積有一定的煤粉，煤粉將托輥表面覆蓋住，致使托輥的散熱條件變差。這就說明托輥不轉(zhuǎn)引起著火的條件是：
(1)托輥卡死；
(2)必須是下托輥卡死；
(3)托輥位置有許多煤粉和橡膠粉末(這些煤粉和橡膠粉末一部分是由皮帶上落下的煤，也有一部分是不轉(zhuǎn)的托輥磨下的粘在皮帶表面的煤粉和橡膠顆粒)；
(4)往往是靠近機(jī)尾部位的下托輥。因為機(jī)尾部位皮帶容易灑煤，造成下托輥表面堆煤。
2 主從動滾筒打滑監(jiān)測
根據(jù)上面的分析結(jié)果來看，主從動滾筒溫升的直接原因是皮帶相對滾筒表面打滑。因此，只要監(jiān)測出主從動滾筒相對皮帶的打滑率即可控制滾筒的溫升。
2.1 主動滾筒的打滑監(jiān)測方案
據(jù)現(xiàn)場人員反映，由于電動機(jī)功率較大，不管皮帶是否打滑，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速基本恒定，也就是說，滾筒表面的線速度基本不變。因此可以在控制電路中事先設(shè)定滾筒的線速度，只要監(jiān)測皮帶的運(yùn)行速度，并將其與設(shè)定好的主動滾筒表面線速度數(shù)值進(jìn)行比較可確定皮帶的打滑率。皮帶正常工作時，打滑率＜2%(據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊)，我們可以設(shè)定報警時的打滑率＞10%，如果打滑率長時間＞10%，則滾筒表面的溫度將會上升；如果短時間打滑，則不會造成起動延時，起動時皮帶的打滑較高。這段時間較短，根據(jù)徐州礦務(wù)局龐莊礦皮帶機(jī)司機(jī)介紹，起動分為三步，每步時間間隔為10S，共計30S。30S后皮帶達(dá)到正常轉(zhuǎn)速，因此打滑測量電路可在皮帶機(jī)起動后1min開始工作。
正常運(yùn)行時偶然打滑的剔除。正常運(yùn)行時，皮帶機(jī)也有可能因負(fù)載變動或其它原因出現(xiàn)偶然打滑。為了剔除這種偶然打滑產(chǎn)生的誤報警?？稍诒O(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到打滑信號(滑差率＞10%)后延時20S報警(不停機(jī))。如果20S內(nèi)打滑信號消失，則可不報警；如打滑信號超過20S，則持續(xù)報警，直到值班司機(jī)檢查處理后再停止報警；若報警持續(xù)5min，而值班司機(jī)仍未處理，則應(yīng)控制停機(jī)。
2.2 從動滾筒打滑監(jiān)測方案
從動滾筒打滑的主要原因是滾筒軸承損壞卡死或轉(zhuǎn)動不靈活，這時皮帶相對滾筒就會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。從動滾筒打滑的監(jiān)測可通過測量皮帶相對滾筒表面的滑差率。正常情況下，從動滾筒(機(jī)尾滾筒)上下兩側(cè)皮帶的張力基本相等(不考慮軸承的滾動摩擦力)，皮帶相對于滾筒表面的滑差率近似為0，但是一旦軸承損壞，滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)不靈，這時皮帶相對于從動滾筒的滑差率將上升，可規(guī)定滑差率＞10%為報警閾值。
從動滾筒上皮帶相對于滾筒的滑差率可通過分別測量皮帶的線速度與從動滾筒表面的線速度來進(jìn)行。從動滾筒線速度的測量方法如下：
(1)在從動滾筒的軸端貼一圓盤，在圓盤上的外緣部位開一個小槽，將4×3.3×1.5mm3的小磁片用膠粘在槽內(nèi)，將圓盤用三個螺釘固定到軸端(如圖1(a))。
(2)將原來的軸承端蓋去掉，換上一個自制的軸承端蓋，在端蓋上安裝一個霍爾磁敏傳感器，軸每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器則接收到一個脈沖信號，只要記錄出每秒內(nèi)接收到的脈沖數(shù)，即可算出從動滾筒的轉(zhuǎn)速，也就能得出滾筒的線速度。圖1(b)是傳感器的安裝位置。因此，只需測出滾筒軸端傳感器每秒接收到的脈沖數(shù)，以及一定長度皮帶上所接收到的脈沖數(shù)，即可判斷從動滾筒上皮帶的滑差率。
圖1 霍爾傳感器的安裝
3 托輥溫升監(jiān)測
前面已經(jīng)分析過，托輥溫升的主要原因是托輥軸承卡死，皮帶在托輥上摩擦使托輥溫度上升，再加上托輥周圍有煤粉包圍，散熱不好。因此，托輥在停機(jī)后，就易于烤著皮帶及周圍的煤粉，造成火災(zāi)。
我們對幾種材料的著火溫度進(jìn)行試驗的結(jié)果如下：
3.1 托輥傳熱試驗
由上列表中可以看出，一旦托輥表面溫度達(dá)到320℃以上，皮帶就有可能著火，煤粉也可能被點(diǎn)燃。因此，皮帶機(jī)工作過程中應(yīng)限制托輥表面溫度不應(yīng)超過320℃。若托輥表面溫度超過329℃，則應(yīng)報警。
皮帶正常工作過程中，托輥是旋轉(zhuǎn)的，無法直接測量托輥表面溫度，非接觸測量在井下惡劣環(huán)境下難以應(yīng)用。因此我們考慮將熱敏傳感器安裝在固定不動的托輥軸上。這樣熱敏元件所感受的熱量經(jīng)由以下幾個環(huán)節(jié)，即托輥表面軸承托輥軸傳感器導(dǎo)熱體熱敏元件。由于溫度傳遞經(jīng)歷了多個環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)都存在一定的溫度梯度，為此，我們在實(shí)驗室中做了托輥的傳熱試驗。
試驗是在室溫環(huán)境下，用電爐加熱托輥表面，模擬托輥被煤粉包圍的散熱條件，然后分別測量托輥表面溫度，托輥軸溫度及傳感器內(nèi)部熱敏元件處的溫度。測試結(jié)果如下：
托輥溫度290℃～300℃介于皮帶冒煙溫度與著火溫度之間，應(yīng)屬危險溫度。此時傳感器內(nèi)部溫度為100℃～110℃。因此，我們可以設(shè)定110℃為傳感器的報警溫度。
3.2 溫度傳感器的選擇及測溫方案設(shè)計
托輥溫度監(jiān)測只需要監(jiān)測托輥表面溫度是否到達(dá)危險溫度，如果沒有到達(dá)危險溫度，則即不用報警，也不必顯示托輥表面溫度的數(shù)值。因此，溫度傳感器最好選擇開關(guān)型的。為此，我們選擇了記憶合金作為溫敏元件，制定記憶合金的變形溫度為110℃。當(dāng)傳感器內(nèi)部溫度達(dá)110℃以上時，說明托輥表面達(dá)290℃～300℃，此時記憶合金應(yīng)該變形，從而發(fā)出信號。本傳感器中選擇記憶溫度為110℃的記憶簧作為溫敏元件，彈簧材料為鎳鋁銅合金，彈簧外徑為10mm，變形前長度為10mm，到達(dá)110℃后伸長量達(dá)7～8mm?！ ⊥休伈晦D(zhuǎn)而引起皮帶機(jī)著火的主要位置是離機(jī)尾部位較近的下托輥。因此，監(jiān)測內(nèi)容主要是靠近機(jī)尾處的30組下托輥。在這30組托輥軸上裝上溫度傳感器，為節(jié)能并考慮監(jiān)測方便，擬采用傳感器并聯(lián)的常開電路，在每個傳感器后串聯(lián)一個10Ω的電阻，用以判斷報警時托輥的位置。采用恒流源供電，電流恒定為10mA。
圖2為托輥溫度監(jiān)測原理圖。若某一組托輥卡死，溫度上升至危險的報警溫度(110℃)時，則該組托輥上的傳感器動作，接通回路，發(fā)生報警信號?？ㄋ劳休伒奈恢每梢酝ㄟ^托輥恒流源兩端的電壓值判斷。托輥序號從機(jī)尾處向前排序?？ㄋ劳休伒奈恢门c恒流源兩端電壓值之間的關(guān)系如下表：
圖2 托輥溫度監(jiān)測原理圖
若恒流源兩端的電壓為1.5V，則說明第15組下托輥不轉(zhuǎn)且托輥表面溫度到了危險的報警溫度，值班司機(jī)聽到報警后，應(yīng)觀察控制面板上顯示的卡死托輥的位置，然后迅速到達(dá)托輥位置進(jìn)行檢查，并采取措施降低托輥表面溫度，防止引起皮帶機(jī)火災(zāi)事故，同時通知機(jī)電科或皮帶工區(qū)下井處理。
4 結(jié)論
(1)分析了鋼繩芯皮帶機(jī)火災(zāi)的主要三種原因；
(2)針對三種原因，提出了各自不同的監(jiān)控方案；
(3)對從動滾筒和托輥的監(jiān)測，提出了具體的監(jiān)控手段。
作者單位：阮鐵鉻 王正良 中國礦業(yè)大學(xué)
陳紅丹 浙江經(jīng)濟(jì)管理專修學(xué)院機(jī)電系
