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(cái)產(chǎn)損失。因此，實(shí)施對(duì)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(dòng)滾筒打滑
主從動(dòng)滾筒打滑的原因很多，分析起來(lái)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(jué)，煤倉(cāng)內(nèi)又缺少滿倉(cāng)控制系統(tǒng)，造成滿倉(cāng)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(guò)一次機(jī)頭堆煤事故險(xiǎn)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(dòng)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(dòng)滾筒表面潮濕引起皮帶打滑；
(4)從動(dòng)滾筒打滑的主要原因是從動(dòng)滾筒軸承嚴(yán)重?fù)p壞卡死導(dǎo)致從動(dòng)滾筒不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速下降，皮帶相對(duì)滾筒打滑。
不管是主動(dòng)滾筒還是從動(dòng)滾筒，一旦發(fā)生打滑，就會(huì)使?jié)L筒表面溫度升高。根據(jù)徐州礦務(wù)局試驗(yàn)站試驗(yàn)，皮帶打滑40min滾筒表面溫度就可達(dá)到320℃，皮帶開(kāi)始冒煙。根據(jù)我們的試驗(yàn)，該溫度已是著火溫度。因此說(shuō)，主動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒打滑是極其危險(xiǎn)的，長(zhǎng)時(shí)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(dòng)
根據(jù)調(diào)研結(jié)果來(lái)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(lái)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(chǎng)調(diào)查來(lái)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(shí)間較短，皮帶溫升很小，且由于皮帶運(yùn)行過(guò)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(shí)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(shuō)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?yàn)闄C(jī)尾部位皮帶容易灑煤，造成下托輥表面堆煤。
2 主從動(dòng)滾筒打滑監(jiān)測(cè)
根據(jù)上面的分析結(jié)果來(lái)看，主從動(dòng)滾筒溫升的直接原因是皮帶相對(duì)滾筒表面打滑。因此，只要監(jiān)測(cè)出主從動(dòng)滾筒相對(duì)皮帶的打滑率即可控制滾筒的溫升。
2.1 主動(dòng)滾筒的打滑監(jiān)測(cè)方案
據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員反映，由于電動(dòng)機(jī)功率較大，不管皮帶是否打滑，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本恒定，也就是說(shuō)，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(cè)皮帶的運(yùn)行速度，并將其與設(shè)定好的主動(dòng)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(shí)，打滑率＜2%(據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè))，我們可以設(shè)定報(bào)警時(shí)的打滑率＞10%，如果打滑率長(zhǎng)時(shí)間＞10%，則滾筒表面的溫度將會(huì)上升；如果短時(shí)間打滑，則不會(huì)造成起動(dòng)延時(shí)，起動(dòng)時(shí)皮帶的打滑較高。這段時(shí)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(dòng)分為三步，每步時(shí)間間隔為10S，共計(jì)30S。30S后皮帶達(dá)到正常轉(zhuǎn)速，因此打滑測(cè)量電路可在皮帶機(jī)起動(dòng)后1min開(kāi)始工作。
正常運(yùn)行時(shí)偶然打滑的剔除。正常運(yùn)行時(shí)，皮帶機(jī)也有可能因負(fù)載變動(dòng)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(bào)警?？稍诒O(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到打滑信號(hào)(滑差率＞10%)后延時(shí)20S報(bào)警(不停機(jī))。如果20S內(nèi)打滑信號(hào)消失，則可不報(bào)警；如打滑信號(hào)超過(guò)20S，則持續(xù)報(bào)警，直到值班司機(jī)檢查處理后再停止報(bào)警；若報(bào)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(dòng)滾筒打滑監(jiān)測(cè)方案
從動(dòng)滾筒打滑的主要原因是滾筒軸承損壞卡死或轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，這時(shí)皮帶相對(duì)滾筒就會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。從動(dòng)滾筒打滑的監(jiān)測(cè)可通過(guò)測(cè)量皮帶相對(duì)滾筒表面的滑差率。正常情況下，從動(dòng)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(dòng)摩擦力)，皮帶相對(duì)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(shí)皮帶相對(duì)于從動(dòng)滾筒的滑差率將上升，可規(guī)定滑差率＞10%為報(bào)警閾值。
從動(dòng)滾筒上皮帶相對(duì)于滾筒的滑差率可通過(guò)分別測(cè)量皮帶的線速度與從動(dòng)滾筒表面的線速度來(lái)進(jìn)行。從動(dòng)滾筒線速度的測(cè)量方法如下：
(1)在從動(dòng)滾筒的軸端貼一圓盤，在圓盤上的外緣部位開(kāi)一個(gè)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(gè)螺釘固定到軸端(如圖1(a))。
(2)將原來(lái)的軸承端蓋去掉，換上一個(gè)自制的軸承端蓋，在端蓋上安裝一個(gè)霍爾磁敏傳感器，軸每轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器則接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，只要記錄出每秒內(nèi)接收到的脈沖數(shù)，即可算出從動(dòng)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(cè)出滾筒軸端傳感器每秒接收到的脈沖數(shù)，以及一定長(zhǎng)度皮帶上所接收到的脈沖數(shù)，即可判斷從動(dòng)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(cè)
前面已經(jīng)分析過(guò)，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(duì)幾種材料的著火溫度進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果如下：
3.1 托輥傳熱試驗(yàn)
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(guò)程中應(yīng)限制托輥表面溫度不應(yīng)超過(guò)320℃。若托輥表面溫度超過(guò)329℃，則應(yīng)報(bào)警。
皮帶正常工作過(guò)程中，托輥是旋轉(zhuǎn)的，無(wú)法直接測(cè)量托輥表面溫度，非接觸測(cè)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(dòng)的托輥軸上。這樣熱敏元件所感受的熱量經(jīng)由以下幾個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都存在一定的溫度梯度，為此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中做了托輥的傳熱試驗(yàn)。
試驗(yàn)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(cè)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(cè)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(xiǎn)溫度。此時(shí)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(bào)警溫度。
3.2 溫度傳感器的選擇及測(cè)溫方案設(shè)計(jì)
托輥溫度監(jiān)測(cè)只需要監(jiān)測(cè)托輥表面溫度是否到達(dá)危險(xiǎn)溫度，如果沒(méi)有到達(dá)危險(xiǎn)溫度，則即不用報(bào)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(kāi)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(shí)，說(shuō)明托輥表面達(dá)290℃～300℃，此時(shí)記憶合金應(yīng)該變形，從而發(fā)出信號(hào)。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(zhǎng)度為10mm，到達(dá)110℃后伸長(zhǎng)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(cè)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(cè)方便，擬采用傳感器并聯(lián)的常開(kāi)電路，在每個(gè)傳感器后串聯(lián)一個(gè)10Ω的電阻，用以判斷報(bào)警時(shí)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(cè)原理圖。若某一組托輥卡死，溫度上升至危險(xiǎn)的報(bào)警溫度(110℃)時(shí)，則該組托輥上的傳感器動(dòng)作，接通回路，發(fā)生報(bào)警信號(hào)?？ㄋ劳休伒奈恢每梢酝ㄟ^(guò)托輥恒流源兩端的電壓值判斷。托輥序號(hào)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(cè)原理圖
若恒流源兩端的電壓為1.5V，則說(shuō)明第15組下托輥不轉(zhuǎn)且托輥表面溫度到了危險(xiǎn)的報(bào)警溫度，值班司機(jī)聽(tīng)到報(bào)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(shí)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(duì)三種原因，提出了各自不同的監(jiān)控方案；
(3)對(duì)從動(dòng)滾筒和托輥的監(jiān)測(cè)，提出了具體的監(jiān)控手段。
作者單位：阮鐵鉻 王正良 中國(guó)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
