（机械电子工程专业论文）火电厂输煤皮带防撕裂装置的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 在火电厂输煤系统中，输煤皮带纵向撕裂事故时有发生，价值数十万元甚至上 百万元的输煤皮带，一旦发生撕裂事故，在几分钟内就会全部毁坏，造成巨大的经 济损失。本文在总结国内外研究防皮带撕裂装置的基础上，从电厂输煤现场的实际 需要入手，放弃了国内研究者单一化机械化式研究理论，提出了种智能化非接触 式的构建思想，并探讨了系统的设计思路、结构特点、软硬件的实现及应用；自行 设计了超声波传感器测距系统，对输煤皮带的宽度实现了在线监测：最后总结了该 系统的特点及其应用前景。实验证明，该套防撕裂装置能有效防止输煤皮带的纵向 撕裂事故，在改善输煤系统的同时，大大提高了电厂的经济效益，因此值得大力推 广和应用。 关键词：纵向撕裂，输煤皮带，超声波传感器，在线监测 a b s t r a c t t h e l o n g i t u d i n a l t e a ra c c i d e n to ft r a n s p o r t a t i o nb e l t h a p p e n so c c a s i o n a l l y i n t r a n s p o r t a t i o nc o a ls y s t e mo ft h ep o w e rp l a n t s ，o n c et h et e a ra c c i d e n th a p p e n e d ，t h e t r a n s p o r t a t i o n b e l t - d , r h i c hv a l u e sh u n d r e d so ft h o u s a n d se v e nm i l l i o n s $ w i l ld e s t r o y w i t h i ns e v e r a lm i n u t e s ，a n dc a u s e se n o r m o u se c o n o m i cl o s s t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h e d e f e n s et e a r i n gd e v i c eo nt h eb a s i so f s t u d ya th o m ea n da b r o a d ，s t a r t sf r o mt h ea c t u a l n e e do f t r a n s p o r t a t i o nc o a ls c e n ei nt h ep o w e rp l a n t ，a n dg i v e su pd o m e s t i cr e s e a r c h e r s s i m p l i f y a n dm e c h a n i z e ds t u d yt h e o r y ，p u t sf o r w a r dak i n do fc o n s t r u c t i o n t h o u g h t w h i c hi s i n t e l l i g e n ta n dn o n c o n t a c t ，d i s c u s s e st h ed e s i g nw a y ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ， s o f t w a r e ，h a r d w a r e a n dt h e a p p l i c a t i o n o ft h e s y s t e m i n o r d e rt or e a l i z eo n l i n e m o n i t o r i n g t ot h ew i d t ho ft h e t r a n s p o r t a t i o nb e l t ，w ed e s i g n t h eu l t r a s o n i cs e n s o rs y s t e m f o rm e a s u r i n gt h ed i s t a n c eo fb e l ti n d e p e n d e n t l y ；a tl a s ts u m u pt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e s y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o np r o s p e c t ，p r o v e db ye x p e r i m e n t ，t h i sd e f e n s et e a r i n gd e v i c e c a np r e v e n tf r o ml o n g i t u d i n a lt e a ro f t r a n s p o r t a t i o nb e l te f f e c t i v e l y ，w h i l ei m p r o v e st h e o p e r a t i o no f t h et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，h a v ei m p r o v e dt h ee c o n o m i cb e n e f i to ft h ep o w e r p l a n t sg r e a t l y t h e r e f o r et h ed e f e n s et e a r i n gd e v i c ei sw o r t hg e n e r a l i z i n ga n da p p l y i n gi n p o w e rp l a n t s z h o u f u c h e n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gb i n g f e l l k e yw o r d s ：l o n g i t u d i n a l t e a r , t r a n s p o r t a t i o nb e l t ，u l t r a s o n i c s e n s o r ，o n l i n e m o n i t o r i n g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文火电厂输煤皮带防撕裂装置的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或汪书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了i 身 意。 学位论文作者躲】邋遮日期：剑 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蚴导师签名：缝 曰期：业哲日期：礁兰讨 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 随着世界各国电力事业的不断发展，我国的电力事业也取得了长足的进步，目 前我国很多火电厂先后建立并且投入生产，火电在电力资源中占有很大一部分比 例。为提高火电厂的生产效率，改善输煤系统就是其中的关键环节。皮带运输机是 使用较多的连续运输设备之，主要用来输送块状、粒状和散状等物料，同时也可 输送成件的货物。目前它广泛地应用于冶金、选矿、化工、石油、轻工、建材等领 域。其中皮带输送机在火电厂应用尤其普遍，并且朝着高速，大规模、超长距离、 大倾角的方向发展。输煤皮带是皮带运输机的重要组成部分，其成本约占整机的4 0 以上，输送带主要有普通帆布芯胶带，合成纤维芯胶带，钢绳芯胶带等。其中中等 强度的合成纤维芯胶带和钢绳芯胶带价格较贵。 1 1 防皮带撕裂研究的意义 在火电厂输煤系统中，输煤皮带纵向撕裂事故时有发生，价值数十万元甚至上 百万元的输送带，一旦发生纵向撕裂事故，在几分钟内就会全部毁坏，造成巨大的 经济损失。即使能够修补，也需要相当的人工和时间，对电厂的正常运行产生极大 的影响。随着我国皮带输送机的使用量越来越大，其应用的范围越来越广，使用厂 矿发生纵向撕裂的事故也越来越多。近年来，尽管有许多研究者都在潜心研究纵向 撕裂的保护装置，但至今我国仍没有一种较为理想的防撕裂方面的监测手段和装置 应用于实践。目前，我国很多电厂没有安装有效的防撕裂保护装置，在影响生产的 同时也带来影响电厂安全运行的隐患。因此，进行皮带纵向撕裂保护装置的研究具 有很高的现实意义并会产生巨大的经济效益。 i 2 防皮带撕裂国内外研究现状 使用皮带输送机的企业长期以来一直被皮带纵向撕裂故障所困扰，迫切需要一 种能及时珍断皮带纵向撕裂故障的保护装置。国外从7 0 年代就开始进行这方面的研 究，目前国外对皮带纵向撕裂保护装置的研究，已从接触式发展到非接触式，从单 一化到智能化。国外成功的专利除了有嵌入法、光电传感技术、超声波扫描技术之 外，现在又有了改进后的嵌入法、超声波技术和最新研究探讨的原子物理方法等f 】 。 目前国内外研究的皮带纵向撕裂保护和监测装置形式和种类繁多【2 】，下面简要介绍 国内外比较先进的几种。 ( 1 ) 改进后的嵌入法 1 华北电力大学硕士学位论文 7 0 年代末，英、德就开始采用在胶带中埋设金属导线的方法。但由于胶带的连 续运动，不可避免地会产生滚切的持续应力，使金属导线遭受磨损而断裂。为了克 服这个缺点，英国应用摩擦系数较小的聚脂纤维做成的空心管套在导线外面，并硫 化在胶带内，保护导线不产生疲劳损坏。 阻前研制的在胶带中埋设导线的检测装置的另一个缺点是导线和胶带上的橡 胶混合物之间常因时间长而容易发生化学反应，从而破坏了导线接头的导电性，导 致误动作。为了解决这个问题，德国用直径较小的镀锌纲绳作为导线，浚导线埋设 在距胶带承载面一定距离的胶带上面层内，平行于胶带表面。在导线的接头区内， 相对的导线互相拧紧，导线接头处的折合端罩有轻合金护套，从而使导线避免接触 皮带上部的橡胶混合物，提高了系统的可靠性。 还有些国家在胶带中埋设导电橡胶、光导纤维等。此类保护装置的缺点是工艺 复杂、成本高。另外，从某种意义上说，由于嵌入物与橡胶间有一个相融性的问题， 如果处理不善，会降低胶带的强度。 ( 2 ) 超声波扫描技术 超声波探伤为无损检测的一种重要手段，它与激光、红外、同位素并称为现代 科学技术的四支尖兵。日本、英国、澳大利亚先后在7 0 年代末和8 0 年代初、中期， 研制了用超声波在非金属胶带中进行探伤的检测器，并都获得了专利。 1 ) 滚轮式超声波检测装置 该检测装置由换能器、电子放大器和报警器组成，英国有其发明专利pj 。当胶 带正常工作时，每个发射换能器以该频率发射超声波，接收换能器将经过一定时间 后收到回波。当胶带发生纵向撕裂事故时，接收器接收到的信号比胶带完好时收到 的信号弱，而且接收到信号的时间比胶带完好时收到的时间要长。纵向撕裂的事故 是否发生可根据胶带信号的强弱和信号持续的时间来判定。为此，该装置可提供作 为胶带纵向撕裂程度的预报或者作为限制损坏程度而自动停止胶带运行的装置，其 结构如图l 一1 所示。 。 度 图1 1 滚轮式超声波检测装置 该装置的超声波是通过耦合到胶带上的，中间环节多，其耦合问题有一定的难 目前都用在地面的输送机上。 2 ) 水耦合超声波检测装置 通常水可作为耦合超声波的耦合剂，因其声阻与橡胶的声阻相接近。因此约有 2 华北电力大学硕士学位论文 9 5 的超声波能通过水与橡胶的交界面传播。澳大利亚的芒特艾萨矿就采用这种枪 测装置。它由换能器、电子放大器、跟随器和水箱组成。结构原理如图l 一2 所示。 发射器 脉冲发生 接受脉冲 延时器 噪声延时 报警延时 计数器 接受器i 主 检坝 器 型 笺! 阮 与同步毕e 划。 硒扪蚓奎 与同步i 警报界限卜一 状态输入纠报警电路 蜀控制器 比 较 器 图1 2 水耦合超声波检测装置 该装置目前己广泛用于露天矿的胶带运输机上，其缺点是系统设备较多，同时， 还有一个耦合问题没有完全解决，所以水流流型的最佳化是目前芒特艾萨矿至今仍 在研究的问题。 ( 3 ) x 光探伤 德国莱茵一威斯发州t u v 协会发明了用x 光连续探伤的方法，来检测胶带内的 腐蚀、断绳、穿孔、钢丝绳变形和接头不良等损伤，并准确地确定损伤的位置。该 装置由x 光探测器、图像显示器和报警装置组成。在带速3 7 m s 以下的皮带探伤 时，皮带的运行和损坏情况能自动录入录相带，以供分析用，其分辨精度可达2 m m 。 ( 4 ) 摆动框架式检测装置 日本横滨橡胶公司发明一种磁性传感器的检测装置，它安装在多个缓冲托辊组 成的框架上。该框架悬挂在垂直安装的片型弹簧上，在框架的端头装有磁性传感器， 皮带一旦发生撕裂事故，其水平方向受力比正常状况下的受力要大，传感器因此发 出报警信号。 ( 5 ) 金属线圈检测器 美国g o o d r i c h 公司生产的金属线圈型检测器较之同类产品比较先进。其构造 是，在输送带的底层每隔2 0 5 0 米，把一组金属线圈横向放置在带芯内，外侧有 一个发送传感器，一个接受传感器，由天线传送信号，以检测输送带是否完好。当 线圈的一侧在电磁波发送传感器附近经过时，线圈将有感应电流，该电流产生的电 磁波被另侧的接受传感器截获。如输送带撕裂，则线圈被切断，输送机将被迫停 运。其结构简图如图i 一3 所示。 3 华北电力大学硕士学位论文 传导 下一盎 1 发送传感器2 接受传感器3 金属线圈 4 输送带5 控制箱6 电机控制电路 蚓1 3 金属线圈检测器 ( 6 ) 导电橡胶检测器 日本三菱输送带公司为解决金属线圈疲劳问题而首推出导电橡胶检测器。导电 橡胶粘贴在输送带底面并与特殊的托辊装置连接。通过安装在特殊托辊中的开关， 电流能在托辊与托辊间流动。如输送带被撕裂，则电流中断，检测器将使运输机停 运。目前导电橡胶检测器生产技术比较成熟的要数德国汉堡c o n r a ds c h o l t z 公司， 其研制的导电橡胶检测装置如图1 4 所示。 1 接受器2 线圈r3 特殊导电橡胶条4 线圈t5 发射器 6 预记录器7 磁铁8 输送带9 下支承面1 0 承载丽 图1 4 输送带导电橡胶检测装置 ( 7 ) 磁性橡胶检测器 日本阪东化学公司的阪东i i i 型磁性橡胶检测器，有一插入橡胶里层的磁性胶 片，其两极与输送带的运行方向一致，一根加强的去磁胶片装在磁性胶片和接受天 线之间。如输送带被撕裂，去磁胶片从输送带上撕破，接受线圈收到信号后控制输 送带停车。 上述几种皮带撕裂保护与监测装置是国外比较先进的产品，因此这些产品在国 4 华北电力大学硕士学位论文 外很多厂矿都有所采用，但是某些产品还不是很成熟和稳定，有待进一步进行研究 和完善。国内对皮带撕裂方面的研究发展比较缓慢，主要是从8 0 年代开始，由于 理论和技术方面的不成熟，国内产品主要集中在对皮带运输机的改造和对皮带运行 时的外测装置的研究上。下面就国内比较先进的皮带撕裂保护装置进行简单的介 绍。 ( 1 ) 棒型检测器 这种装置是把一根棒或管子弯曲成槽形托辊状，安装在槽形输送带下面的缓冲 托辊之间而成。这样，如有刺穿输送带的物料，该物料将拨动槽形棒偏转，迫使限 位开关或载荷传感器动作，使带式输送机停止运转。安装时，可把几个这样的槽形 棒用连杆连在起，控制一个共用开关。这种检测器安装在带式输送机的装载段， 而且要求缓冲托辊之间必须具有适当的空间【4 j 。 ( 2 ) 弦线式装置 该装置由细钢丝或尼龙线作为探头，将其安置在缓冲托辊之间穿过小孔与槽形 带下表面贴合，线的一端装一个弹簧限位开关。当刺穿输送带的物料绊住此线时， 把线拉断或张力增加，均可使限位开关动作p 】。 ( 3 ) 漏料检测器 这种检测装置由托盘、支点、平衡锤和开关等组成，如图1 5 所示。当输送 带被撕裂后，输送带上的物料通过裂口泄漏到托盘里，物料的重量克服平衡锤的重 量，使整个装置绕支点转动，迫使限位开关动作。 这种检测器结构简单，检查方便。但是，当输送带被撕裂后，只有输送带上有物料 且输送带的裂口足以使物料泄漏时，此装置才能起作用，否则就没有什么用途。此外， 若在托盘上积聚灰尘过多时，可能会产生误动作。所以，需要经常检查并清理灰尘。 1 回空带2 托盘3 支点4 平衡锤5 承载带 图1 5 漏料检测器 ( 4 ) 超声波检测器 这种装置由超声波检测和传送两部分组成，其结构图如图l 一6 所示 4j 。在输送 带容易被撕裂的托辊之间，安装上能够产生超声波的导波管，使之产生超声波振荡， 再通过检波器检波后发出。当皮带输送机处于正常运行状态时，超声波发送波、接 受波t f 常，发出正常的信号。一旦输送带被纵向撕裂，导波管因弯盐而损坏，这时 发送波和接受波其状态不同，就会发出输送带纵向撕裂信号，使带式输送机停机， 5 华北电力大学硕士学位论文 从而避免输送带撕裂事故继续扩大。 1 给料斗2 导波管3 缓冲托辊4 检测部 分5 处理盘6 ，报警盘7 继电器输出 图1 6 超声波检测器布置图 ( 5 ) 传感器线圈输送带检测器 该种保护装置( 如图l 一7 所示) 是在输送带中每隔5 0 m 埋设一个传感线圈【4 j ， 这项工作是由输送带生产厂家完成的。当线圈损坏后，用户可以自行更换。输送带 下面安装一组探测头，探测头经电缆与控制箱相连。输送带正常运行时每当传感器 经过探头时，探测头向传感器发出电磁脉冲。一旦输送带出现纵向撕裂，传感线圈 回路被切断，异常的电磁脉冲立即会被控制箱所识别。之后，控制箱报警并立即切 断主电机电源并停机。 1 输送带2 传感线圈3 探测头4 电缆5 控制箱 图1 7 传感线圈输送带检测装置 1 3 论文的主要内容和结构安排 综观国内外研究现状，今后对皮带纵向撕裂保护装置的研究，必然是朝着新技 术、新原理、非接触式智能化方向发展。本论文针对目前国内皮带纵向撕裂保护装 置发展比较落后的现状，为改变被动式接触式的纯机械保护装置，不再从机械改进 方向入于，而是依据最新的理论和试验数据，设计出- l e o 接触式和非接触式相结合 6 华北电力大学硕士学位论文 的主动式智能化检测保护装置。这种检测保护装置应该具有下列优点：一是当皮带 一旦发生撕裂事故，就能立即停机；二是皮带上有无落料都不影响检测系统正常工 作；三是安装调整简单、操作安全、维修次数较少。据此，全部论文工作分为系统 的理论分析、系统的硬件设计、系统的软件设计及结论四大部分： ( 1 ) 系统的理论分析主要是针对皮带撕裂的原因和机理，依据经验数据和试 验数据，确定皮带纵向撕裂时的检测原理和检测方法，并加以论证和创新，从而设 计合适的人机交换平台和配置合适的硬件设施，进而形成完整的皮带纵向撕裂保护 检测装置； ( 2 ) 系统的硬件设计主要包括现场采集信号单元( 传感器) 、信号处理单元( 与 超声波传感器配套的测距芯片及接受拉压传感器信号的采集卡) 和信号监测与诊断 单元( 计算机) 这三部分。依据皮带首先有可能发生撕裂的地方，在溜槽处确定传 感器的安装位置，进而确定发射采集信号装置和控制处理装置。硬件的设计是整个 系统的根本，也是本论文的重点： ( 3 ) 系统的软件设计主要是基于l a b v e w 平台开发的，能实现在线监测，有 报警功能。软件部分主要提供人机交换信息，使工作人员能及时了解状况从而确定。 下一步操作： ( 4 ) 结论部分针对防撕裂装置的创新方面进行了说明，阐述了整个系统的优 点和有待改进的地方，同时对系统的应用进行了展望。 全部论文工作的具体内容将在后续章节进行详细阐述。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 皮带运输机简介 第二章系统的理论分析 皮带运输机又称带式输送机，是一种连续运输机械，也是一种通用机械。皮带 运输机足火电厂必不可缺的运输工具之一。煤从煤码头直供或从煤场转供，经过皮 带给煤机、皮带运输机的传送，再经过碎煤机室，最后到原煤斗。在上煤系统的各 步骤中，皮带运输机起着关键作用，因而皮带运输机成为电厂输煤系统中的运送纽 带。 普通皮带运输机的提升角度一般不大2 0 度，原因是当皮带运输机的倾角大于2 0 度时对大多数的物料来讲都会发生物料下滑的情况，即物料在皮带上的摩擦力过小 发生下滑。对输送煤炭的皮带运输机一般提升角度不大于1 5 度，对输送烧结球团 的皮带运输机提升角度不大于1 2 度。如果物料相对粒度较小，其提升角度可选较 大值。特殊的皮带运输机其提升角度可大于4 5 度，其皮带的构造是特殊制造的。 皮带运输机的简单结构如图2 1 所示 6 】。 1 皮带2 传动滚筒3 机尾改向滚筒4 重段托辊 5 空段托辊6 机架7 拉紧装置8 装煤漏斗9 卸煤装置 图2 1 皮带运输机结构简图 皮带运输机是由皮带、传动滚筒、尾部滚筒、托辊和机架等组成。其工作原理 是：用一根很长的皮带1 ，绕过机头的传动滚筒2 和机尾的改向滚筒3 而连接起来， 组成一条封闭的环形带。动力由电动机经过减速器带动转动，依靠传动滚筒和皮带 间的摩擦力带动皮带运转。为了避免皮带在传动滚筒上打滑，需用拉紧装置7 将皮 带拉紧，给以必需的预张力。输送的物料由装在皮带一端的装载装置8 给到皮带上， 皮带在运转时将物料输送到另一端或其它规定的部位。在输送带的全长上，有许多 组托辊4 和5 将皮带托住，避免皮带下垂。 r 华北电力大学硕士学位论文 2 2 皮带纵向撕裂的原因 输煤系统是火电厂的重要组成部分，输煤系统的可靠运行直接关系到电厂的经 济效益。前面已经简单介绍了皮带运输机，整个运输机当中，皮带是个容易损坏的 薄弱环节，而皮带又占整个机器成本的4 0 以上，因此保护监测皮带使其受最少程 度的损坏也就是关系到整个电厂正常运行的重中之重了。下面就皮带纵向撕裂原因 作一分析【7 j ： ( 1 ) 皮带跑偏撕裂。皮带运行过程中，皮带单侧偏移较多时，在一侧形成褶 皱堆积或折叠，受到不均衡拉力或被夹伤及刮伤等，造成撕裂。这种情况一般不会 偶然发生，达到撕裂的程度需要有一个过程，且现象比较明显，容易观察。发现皮 带跑偏时及时调整，保证跑偏传感器工作正常，即可防止这类撕裂事故的发生。 ( 2 ) 抽芯撕裂( 只发生于钢绳芯皮带) 。皮带在剧烈的冲击力作用下，有时会 造成皮带中的钢丝绳断裂，经过长时间的磨、压、折、拉等外力作用，断裂的钢丝 绳头会从皮带接头处、粘口处或磨损比较严重处露出盖胶之外。当露出的钢丝绳达 到定长度，就可能绞入滚筒、托辊等处，随着皮带的运转，钢丝绳从皮带盖胶中 抽出，造成撕伤。还有一种情况就是机头部清扫器刮板夹挂住皮带表面的金属丝或 其他杂物，把皮带磨透。防止这种撕裂只能加强巡视力度，发现外露钢丝绳头的长 度超过3 0 r a m 时，立即剪掉，以免后患。 ( 3 ) 物料卡压堵塞撕裂。这种情况发生在溜槽下部。由于溜槽前沿和皮带面 之间的距离有限，且皮带下缓冲托辊呈间隔分布，自然承载力强度不均匀。当所运 输的物料单侧长度超过这个距离时，在特殊的情况下容易使大块物料卡在溜槽前沿 与皮带之间，强力挤压皮带造成撕裂，如图2 2 所示。还有一种情况就是当装载 点处给料突然增大，使皮带装料堵塞，经过长时间的摩擦，从而引起皮带撕裂。 图2 2 物料卡压撕裂示意图 ( 4 ) 异物划伤。这种损伤也是发生在溜槽下部，有两种情况。一是长杆状利 器压力性划伤。当进入溜槽异物的纵向尺寸大于其通过能力时，异物就会别在溜槽 f 部通过皮带的向前运动增压，从而划伤皮带，如图2 3 所示。二是利器穿透 9 华北电力大学硕士学位论文 性划伤。根据流程需要，两条皮带的首尾衔接处要达到一定的空间落差，这样就给 上部皮带的物料积蓄了一定的势能，当落到下部皮带时自然产生一定的速度。如果 物料中意外混入尖锐利器，在接触皮带时由于惯性作用，利器下部直接穿透皮带卡 在托辊上，上部被溜槽前沿挡住，形成利刀，在皮带向前运动的过程中造成撕裂， 如图2 4 所示。三是其他划伤。如果托辊端盖未焊好，自由旋转的端盖就像旋转 刀片一样把皮带割开。 图2 3 长杆利器划伤性撕裂示意图 图2 4 尖锐利器划伤性撕裂示意图 2 3 皮带纵向撕裂检测原理 2 3 1 皮带撕带机理 皮带纵向撕裂主要发生在机尾装载点处f 8j ，其主要原因就是上述分析之结果。 从皮带撕裂的原因分析，原因( 1 ) ( 2 ) 可以归之为可预知性皮带撕裂，原因( 3 ) ( 4 ) 可以归之为未知性皮带撕裂，针对原因( 1 ) ( 2 ) ，如果我们积极消除现场导 致发生撕裂的各种隐患，并完善各方面设施，加强对操作及维修工人的安全教育， 落实岗位责任制，就可以杜绝这方面撕裂事故的发生。而原因( 3 ) ( 4 ) 一般情况 下光靠人力很难杜绝，因为皮带撕裂时基本上没有明显的可视征兆，因此现在很多 检测装置也就应运而生了。从后一种情况我们不难发现皮带撕裂时不外乎这两种可 1 0 华北电力人学硕士学位论文 能：一是皮带被异物或块煤卡压，造成皮带反复被擦刮从而被撕裂：另一种情况是 皮带被利器直接扎穿，造成皮带撕裂。 2 3 2 皮带纵向撕裂检测原理 由上述分析可知，当皮带被异物卡压时，皮带需要一段时间才能造成撕裂，而 当皮带被直接扎穿时，皮带就有可能直接造成撕裂。针对前一种情况，当皮带被撕 裂时，由于物料卡压，皮带带速降低的同时，被卡物料给皮带施加的压力会不断增 大，且持续一定时间，直至皮带被扎穿，随后压力将会显著减小一j 。所以，可以通 过监测皮带在落料口处所受向下压力的大小及变化情况来渗断皮带纵向撕裂事故。 由于皮带是运动的，其受力不易直接监测，但其所受的向下压力将会传递给托辊， 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。这种方法的好处就是在 皮带撕裂前就能做出判断，从而避免了那种被动式撕裂带来的更为严重的损失。当 后一种情况发生时，皮带撕裂就是我们无法及时能阻挡得了的了，但如何把损失控 制在最少范围以内就是我们应该考虑的事情。针对这一情况，当皮带被撕裂时，由 于皮带负重，使其受一个往内侧收缩的力，导致被撕裂的皮带两边缘互相重叠，从 而引起皮带带宽的变窄。因此可以设计出一种带宽检测器来检测其带宽的变化，产 生相应的报警信号，从而达到监测的目的。这里的带宽检测器是采用超声波测距原 理来实现的，它的反应快捷，所需时间很短，能最大限度减少皮带撕裂长度。 2 4 皮带纵向撕裂检测方法 根据皮带撕带原因和检测原理，本论文采取两种检测装置并予以同时应用，即 测托辊所受压力和测溜槽处皮带宽度。县体检测方法和设计下面予以详细介绍。 2 4 1 测压力一一检测皮带纵向撕裂方法之一 皮带e 常运行时，皮带和托辊受到的力相对较为平稳，有异物卡住发生撕带事 敌时，皮带及托辊将会受到一个较大的附加压力，据统计和试验，这附加的压力 ( 即戳穿钢绳芯皮带所需的力) 大约在1 4 7 4 4 1 k n 之间【1 0 】，而这一附加压力将 会使皮带和托辊所受的压力显著增加。同时，据调查和统计，伴随着皮带被划伤刺 穿的过程，这一附加压力至少将会持续3 0 0 m s 以上，其特征如图2 5 所示。在图2 5 中，曲线a 是皮带f 常运行时的受力情况，此时，传感器受到一个较为平稳的 力，此压力包括煤、皮带及托辊的重量；曲线b 表示当有异物被卡住压在皮带上造 成撕带州，传感器将受到一个明显的附加压力，而当皮带被扎穿后，皮带所受的这 一附加压力将明显减小，也可能基本消失，传感器的受力又恢复到e 常的情况。针 华北电力大学硕士学位论文 对撕带信号的上述特征，我们采用对力传感器的输出信号进行一定时间内积分，以 积分面积是否超过阀值作为撕带与否的判断标准，这样就可以防止因落料口落下较 大的煤块或矸石等引起的冲击压力而造成误报。 图2 5 撕带信号特征 针对上述分析，下面对传感器的设计和传感器受力计算作一详细分析说明，从 而确定撕带信号的识别方法。 2 , 4 1 1 皮带正常工作时传感器的受力计算 皮带在正常工作时，作用在传感器上的拉力来自皮带重量，托辊重量及分布在 每组托辊上的煤的重量，上述3 种作用力在垂直方向的台力为 = 彬+ 以+ ， ( 2 一1 ) 式中：彬为作用在一组托辊上的皮带重量：为一组托辊的重量；为作用在一 组托辊上的煤的重量。 ( 1 ) 作用在一组缓冲托辊上的皮带重量孵 目前电厂使用的钢绳芯皮带的带宽通常为0 8 1 4 m ，用得最多的是l 1 2 m 带宽的皮带，本论文以l 1 2 m 带宽的皮带进行计算和讨论。皮带内部钢绳芯直径 一般为8 1 9 8 m m ，单位面积的皮带重量约为3 5 4 5 妊i m 2 。 在皮带机尾落料处，槽形缓冲托辊的间距一般为04 m 左右，所以每组托辊上 所承受的皮带自重为 暇= ( 1 1 ，2 ) x o 4 ( 3 5 4 5 ) 9 8 = 1 3 7 2 1 2 n 。 ( 2 ) 缓冲托辊自重职= 2 1 l 2 4 0 n ( 3 ) 作用在一组缓冲托辊上的煤的重量职槽形皮带的最大运输能力为 q = k b 2 v r ( t h ) ( 2 - - 2 ) 式中：k 为货载截面系数，煤的安息角为3 0 ，因此驭k = 4 5 8 ；b 为皮带带宽， 单位m ，取l 1 2 m ；v 为皮带运行速度。单位m s ；y 为运载货物的容重，单位t i m 3 ， 一般烟煤的容重取0 8t m 3 。 所以单位长度皮带上的煤的重量为 q = q ( v 3 6 0 0 ) = k b 2 3 6 0 0 = 4 5 8 ( 1 1 4 4 ) x0 8 3 6 0 0 = 0 1 一o 1 4 5 t m 所以，o 4 m 长的皮带上的堆煤重量为 1 2 华北电力大学硕士学位论文 ，= q 0 , 4 x 9 8 = 3 9 2 5 6 8 n 这里职的计算结果可能与实际工况下的数值有较大出入，这旱的计算仅作为估 算参考。 因此，作用在一组缓冲托辊上的输送带重量、托辊自重以及煤的重量总和为 w o = 彤+ + = 7 4 0 1 0 2 0 n ， 其中，7 4 0 n 对应于1 m 的皮带，1 0 2 0 n 对应于1 2 m 的皮带。 ( 4 ) 传感器的受力气与之间的关系 对于目前电厂使用的i 型带式输送机，受料口槽形缓冲托辊组的槽形角d 通常 为3 0 6 。因此，传感器受力图如图2 7 所示，有 2 f os i n 3 0 。= w o ， f o = w o 所以，在皮带满载工作情况下，拉力传感器所受最大拉力为 f o = w o = 7 4 0 1 0 2 0 n 另外，对于槽形角为3 5 。的新型带式输送机，可计算出相应的e 。 图2 - - 7 传感器受力r 与的关系 2 a 1 2 撕带时传感器的受力分析和计算 据以上分析，机尾受料口发生撕带时，将会有异物给皮带一个附加的压力，该 压力也会通过皮带和托辊作用于传感器，所以测力传感器将会感受到这一附加压 力。通过试验表明：这一附加压力值至少要在1 9 6 k n 以上才会导致撕带。 同时，撕带时各个传感器所感到的附加拉力值还与撕带发生的位置有关。在沿 皮带宽度方向上看，撕带可能出现在中间位置，也可能偏两边，但是不论发生在那 里，根据力平衡原理，两侧传感器所感受到的附加拉力和都是附加压力睨的两倍； 再从撕带可能出现的纵向位置看，有可能出现在某组缓冲托辊的正上方，也有可 能出现在两组托辊之间，但三组托辊所受的附加拉力之和总是一定，为2 聪。因此， 我们可以在每个落料口下的三组缓冲托辊中都安上测力传感器，然后将这6 个传感 器测得的力加起来，用来监测皮带所受附加压力的大小及变化，同时又消除撕带位 置的影响，而且也使我们的测量变换电路得到简化。 2 4 1 3 撕带信号的识别 由前面的计算可知，皮带正常工作时，每个传感器的拉力在7 4 01 0 2 0 n 之间， 6 个传感器的拉力和为4 4 4 6 1 2 k n ；当出现撕带故障时，6 个传感器的附加压力和 1 3 华北电力大学硕士学位论文 存3 9 2 k n 以上，总拉力和在8 3 6 1 0 0 4 k n 之间。可见，当皮带发生撕带时传感器 所感受的拉力之和较正常工作时将会明显增加，增大幅度在6 5 以上，特征显著。 同时考虑到该附加压力会持续一段时间，所以可以用对附加压力的时间积分作为判 别撕带与否的标准。这样就可以避免大块矸石等落下时的冲击压力引起误报。 根据以上计算，每个传感器的平均受力最大约为1 6 7 k n ，考虑到受力不均衡及 冲击载荷，故选用4 9 k n 的测力传感器。 2 4 2 测带宽一一检测皮带纵向撕裂方法之二 当皮带撕裂时，由于皮带本身的负重，使其被撕裂的两半皮带互相重叠，从而 使被撕的皮带段变窄，根据这一明显的变化，我们可以从测量皮带的及时变化来检 测皮带的纵向撕裂事故，我们采用超声波测距原理来实现在线检测，下面予以详细 说明。 2 4 2 1 超声波概述 超声波是超声频率的机械振动在弹性介质中的一种传播过程【h l 。它也是一种机 械波，我们称频率为2 x 1 0 4 。1 0 ，o 赫兹的声波为超声波”2 1 。超声波的产生必须具备两 个条件：茸先要有一个动作频率很高的机械振动的物体即超声源；其次要有传播超 声波的介质。由于超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射 能力较强等优点，加之超声波传感器可广泛应用于非接触式检测，它不受光线、被 测物颜色等的影响，在恶劣的工作环境下具有一定的适应能力。近年来超声波在水 文液位测量、测量自动导航、物体识别等领域有着广泛的应用。本文是利用超声波 技术来实现皮带宽度的在线监测，较之红外线等光学方面的方法，超声波方法在这 方面具有明显突出的优点： ( 1 ) 超声波的传播速度近为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近目标 的距离，纵向分辨率较高； ( 2 ) 超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于透明、半透明及漫反射性差的 物体( 玻璃、抛光体) ； ( 3 ) 对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、 有毒等恶劣环境中； ( 4 ) 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小 型化和集成化。 出于超声波具有上述优点，它能很好地克服输煤现场恶劣的环境，因此，超声 波作为非接触检测手段，非常适合于输煤皮带的在线监测，目前已越来越引起人们 的重视，在原苏联、日本、美国等发达国家已有较深的研究1 3 叫”。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2 2 声波及其传输特性 由物理学知，声波属于弹性机械波范围，按振动频率的不同，分为次声波( 小 于2 0 h z ) 、声波( 2 0 2 0 k h z ) 及超声波( 2 0 k h z 以上) ，它们在大气中传播有类同 的特性，在相同的传播媒体里( 大气条件) 传播速度相同，即在相当大的频率范围 内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波， 它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的。 a = a ( x ) c o s ( o ) f + 舡) ( 2 3 ) a ( x ) = a n e 一 式中 a ( x 1 一一振幅 g o 一一圆频率 r 一一时间 x 一一传播距离 k 一一波数，k = 2 丌丑( a 波长) a 一一衰减系数。 上式中的衰减系数与声波所在介质及频率的关系： 口= a ，2( 2 4 ) 式中 口一一介质常数 ，_ 一一振动频率 在空气里，a = 2 1 0 。13 秒2 厘米，当振动的声波频率f = 3 0 k h z ( 超声波) 代入上 列算式： a = 2 1 0 一”( 3 0 0 0 0 ) 2 = 1 8 1 0 4 厘米1 l 口= 5 6 米 若f = 4 0 k h z ，代入算式： 口= 2 x 1 0 一”( 4 0 0 0 0 ) 2 = 3 2 x 1 0 4 厘米“ 1 口= 3 l 米 它的物理意义是声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被 吸收损耗。在( 1 口) 长度上，平面声波的振幅衰减为原来的九亿分之一，由此看 出，当频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。那么，如何选用频率呢? 若 用f 较小的超声波虽然衰减小，传播远，但是脉冲的波长较长，影响测长精度，例 如：当f = 4 0 k h z 时，波长为1 7 厘米，显然仪器的显示精度就会降低一倍。因此， 1 5 华北电力大学硕士学位论文 在设计超声波测距仪时，是在既不影响接受时强度，又具备应用时的显示精度情况 下，对测距仪选用超声频率。 2 4 2 3 测距原理及其设计 ( 1 ) 超声波测距原理 利用超声测距是立足于声速在既定的均匀媒质里传播速度有一恒定数值，不随 声波频率变化的特点，它是把发声源由a 地传播到b 地，再计算声波传播于a b 问 的时阐，用下式表示 三：c a t ( 2 - - 5 ) 式中 l 一一待测间距 c 一一声波在空气里的速度 f 一一超声波由a 地传播到b 地所经历的时间 由下式计算测距误差 盯 = c 盯出+ a t 盯， ( 2 6 ) 式中 仃，一一测距误差 c 一一声速 口，一一测量时间的误差 盯一一声速误差。 若要求测距误差小于o 0 1 米，已知声速：c = 3 4 4 米秒1 ( 2 0 4 c 时) ，忽略声速误 差，那么测量时间的误差 暑= 舞= 0 0 0 咖秒 显然，欲直接用秒表测量时间，准确到十万分之三秒是做不到的。因此，实现 声波测距须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。我们是用脉冲计 数方法间接测量时间，可把声波传播于a b 间即皮带间的时间精度提高到所需要 的准确度。 ( 2 ) 超声波测距的设计 根据超声测距原理，这里我们选用收发同体超声波传感器，在溜槽前面皮带一 侧正上方置一挡板用于声波的返回，另一侧跟挡板中心水平的位置置一超声波传感 器。由于皮带宽度一定，所以实质上我们就是测超声波往返于皮带之间所需时间， 但是由上述计算可知，直接测量难以实现，因此采用脉冲计数间接测量方法。其结 构框图如图2 一1 0 所示。 1 6 华北电力大学颐士学位论文 图2 1 0 超声波测距结构框图 功能键按下使8 9 c 5 1 激发一个触发脉冲，发射电路发射2 0 0 k h z 频率的方波， 从而激励传感器产生超声波，触发脉冲的宽度决定2 0 0 k h z 方波的个数。接受电路 接受到回波信号后，经放大、检波、整形成为宽度小于触发脉冲的正脉冲。8 9 c 5 1 收到此脉冲，则停止计数，计数器内的数值即为被测时间的2 倍，由d = v ，2 即可 算得皮带间的距离。当计数器停止工作时，另一个触发脉冲又被激发，发射电路再 次发射方波，激励传感器产生超声波，从而连续测得皮带之间的距离，因此实现了 皮带的在线监测。用这个距离跟皮带的正常宽度进行比较，当它小于皮带宽度时， 说明皮带正在进行撕裂，此时计算机发出报警信号，提示工人或自动停机。 ( 3 ) 超声测距系统误差分析及修正 1 ) 时间的修正 由于收发电路对信号的处理和单片机的采集过程中均会对回声时间产生一个固 定的延迟时间出，从而引出一定的测量误差，因此采用下面的方法来对延迟时间进 行修j 下。 设一、s ：为两个已知的固定距离，、r 2 分别对应于这两个固定距离采集到的回 声值( 内含f 因素) ，则超声波在岛、毛距离内往返传播所用的时间实际上分别为 t 一a t 年口，、一f ，故有： s l = ( 1 f 2 ) v ( t t a t ) ( 2 - 7 ) = ( 1 2 ) v ( 屯一a t ) ( 2 8 ) 由( 2 7 ) 和( 2 8 ) 两式可得： 甜：些二垡( 2 9 ) s 2 一j l 在实际测量中，将测得的 、s 2 、 、f ：值代入( 2 9 ) 式中求得a f ，再将各个 回声时间减去出，即可消除延时时间的影响。 2 ) 声速的修正 在空气中测量距离时，由于温度会对声速产生影响，要想获得较高的精度，就 必须对声速进行修正，声波在空气中的传播速度为： c = ( y - r t m ) ( 2 1 0 ) 式中： r 一一气体普适常数，取8 3 1 4 妇t o o l 一，k 华北电力大学硕士学位论文 y 一气体定压热容与定容热容的比值，对空气是1 4 0 ； m 一气体分子量，空气为2 8 1 0 k gm o l ： t 一一气体的绝对温度。 上式中除了r 是常量外，其余y 、m 、t 只有在一定的标准条件下才可作为常 量看待，但在一般情况下，这些微小的变化对声速影响不大，因此，我们假定y 、 m 、t 这3 个参数恒定，来研究温度对声速的影响。设t 为气体的摄氏温度，则有： t = 2 7 35 + t ( 2 一1 1 ) 把( 2 一1 1 ) 代入( 2 1 0 ) 式得： c ( t ) = ( ，r ( 2 7 3 5 + t ) m ) “2 ( 2 1 2 ) 将( 2 1 2 ) 式展开泰勒级数得： c ( f ) = c ( o ) + c 。( o ) ，+ 寺c ”( o ) f2 + 击c 。( 手) - ，3 ( 2 1 3 ) ：j ： 略去高次导数后可得： c ( ，) = c ( o ) + c ( o ) ，+ 未c ”( o ) r 2 ( 2 一1 4 ) z ! 代入数值后可得： c “) z3 3 1 0 5 + 0 6 7 0 6 ，一0 0 0 0 5 f 2 ( 2 15 ) 从 = 式可以看出，温度每升高1 口c ，超声波的传播速度约增加o 6 m s ，假设忽略 计时误差，如测量误差要小于