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采礦安全井下輸送機(jī)鋼絲繩芯膠帶故障監(jiān)測新技術(shù)

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井下輸送機(jī)鋼絲繩芯膠帶故障監(jiān)測新技術(shù)
澳大利亞A哈里森
概述
要解決監(jiān)測井下鋼絲繩芯膠帶面層磨損、鋼絲繩腐蝕與破斷、接頭強度降低及膠帶撕裂
以保安全這個普遍性問題,需要有專門設(shè)計的傳感器和儀表設(shè)備測試運行中的膠帶由于經(jīng)
常有水和膠帶上載有物料,非接觸式傳感器和非破壞性試驗是必不可少的。除此之外,理想
的監(jiān)測,須能在不中斷生產(chǎn)的條件下進(jìn)行,而對監(jiān)測器的型式和安裝地點,也不能有更多的
約束。
過去五年中,在澳大利亞進(jìn)行研究并查明了井下運輸膠帶可靠運行方面幾個發(fā)生問題的
關(guān)鍵所在研制出一種新型監(jiān)測系統(tǒng),用以檢測鋼絲繩芯膠帶中鋼繩的腐蝕與破斷(哈里森
1980撰《利用圖象分析判斷運輸膠帶的用性》,并已以一種服務(wù)項目的形式應(yīng)市(布朗
1983年《哈里森運輸膠帶監(jiān)測器的現(xiàn)代化應(yīng)用》和以一種利用微處理機(jī)的膠帶分析器的形
式(尼爾森電氣工業(yè)公司1984年文章《鋼絲繩芯運輸膠帶分析器》商業(yè)化。澳大利亞,南
非及西德現(xiàn)均擁有此項技術(shù),美國一些咨詢公司也推薦在美國煤礦使用
更近一些時候,由于膠帶接頭故澳大利亞不得不開展一項旨在弄清膠帶接頭硫化故障
原因的研究。這個問題,是從兩個方面設(shè)法解決的一是探索在接頭發(fā)生嚴(yán)重故障之前監(jiān)測
接頭狀態(tài)的實用方法;一是在礦業(yè)公司和從事膠帶接頭工作的組織內(nèi)部開展對工程師的教育
培訓(xùn)。在接頭監(jiān)測方面,已有若千突破(哈里森1984年撰運輸膠帶接頭故障檢測》)進(jìn)一
步的研究工作在于尋求新的方法,以便與以前研究的方法相互驗證,現(xiàn)在這種工作已經(jīng)取得
進(jìn)展。這些新方法首要的是減少了運輸機(jī)的故障時間。
本文扼要綜合上述研究活動,并討論這些研究成果在采礦工業(yè)中的應(yīng)用也將論及新研
制成功的監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用趨向。
鋼絲繩芯腐蝕監(jiān)測器
1979年以前,澳大利亞及海外國家均用X射線系統(tǒng)監(jiān)測膠帶鋼絲繩芯腐蝕及接頭問題。
1979年,對X射線熒光顯示方法做了鑒定,發(fā)現(xiàn)氧化物顯示屏圖象保留時間,長于3m長
膠帶通過監(jiān)測器所花的時間。遂制成錄象帶記錄運行中的射線監(jiān)測的運行情況,并做了
鑒定。但又提出利用電磁測試的新設(shè)想,經(jīng)過多次實驗室試驗和現(xiàn)場試驗,終于制成稱為“輸送
機(jī)膠帶監(jiān)測器”的系統(tǒng)(簡稱CBM),并取得專利(哈里森1984年撰《膠帶破斷檢測》)
鋼絲繩芯膠帶監(jiān)測器應(yīng)用磁阻測量的原理來監(jiān)測鋼絲繩埋嵌在膠帶內(nèi)的狀態(tài)。它是一種
非接觸式儀器,結(jié)構(gòu)上類似一只有大空氣隙的變壓器。傳感器發(fā)出的信號,決定于鋼芯質(zhì)量
的大小和鋼芯距傳感器的距離的遠(yuǎn)近。圖1為質(zhì)量測量傳感器的剖示圖。傳感器最好裝在輸
送機(jī)平程段,以免防礙生產(chǎn)。處理后的信號由快速平轉(zhuǎn)的圖形記錄器記錄,其響應(yīng)靈敏度至
少應(yīng)為120Hz。外線記錄器并不特別適用于此項途圖2表示在西德一條井下鋼絲繩芯
137
運輸膠帶上示范試用CBM的設(shè)置情況。圖3是典型鋼芯腐蝕掃描圖圖3還給出了斷繩
與斷頭的示波圖。這是一項最新改進(jìn),內(nèi)容見后述。
預(yù)處理
傳感器
圖1鋼質(zhì)量檢測傳感器
2運輸膠帶監(jiān)測器在膠帶上裝置情況
1一膠帶2一鋼絲繩芯;3一膠帶走行方向
4U型磁5一定位支柱;6-54HZ磁線圈
7一傳感線圈:8一磁場方向
CBM監(jiān)測系統(tǒng),能夠準(zhǔn)確地測量鋼轉(zhuǎn)化為氧化物所造成的導(dǎo)磁鋼體質(zhì)量的凈損失。氧化
物導(dǎo)磁率約為鋼芯導(dǎo)磁率的二十五分之一,因此一根繩芯全為銹蝕代替造成的損失數(shù)字將
為95%。然而多根鋼芯部分銹蝕,造成的損失可以相當(dāng)于一根鋼芯。粘著力對帶內(nèi)應(yīng)力分
布有著決定性作用,因而鋼芯部分銹蝕致使粘著力降低,至關(guān)重要。檢測斷繩的新技術(shù),也
用來區(qū)分是繩斷還是部分銹蝕。
盡管CBM能準(zhǔn)確地量測腐蝕造成的鋼繩損失,但膠帶運行強度的實際降低,決定于腐蝕
區(qū)內(nèi)相鄰鋼芯的負(fù)荷分配,而負(fù)荷分配則決定于彈性膠體與相鄰鋼絲繩之間的粘著力。圖4
為在一塊鋼絲繩完全腐蝕的膠帶的鄰近粘固的鋼絲繩中引起的應(yīng)變。
5
圖3鋼芯多處故障質(zhì)量掃描(最下一條曲線為斷
圖4蝕洞附近鋼芯應(yīng)變增大情況
繩與斷頭示波圖)
1一傳感器2一全腐蝕3部分腐蝕;4一邊繩損壞;5一蝕
1鋼絲繩芯2一膠帶均勻受載3洞←
長10cm;6一繩斷7一斷頭但保持接觸8一質(zhì)量9-斷繩
鋼絲張緊5一粘接彈性體剪應(yīng)變
138
通常,一單根鋼絲繩或一組相鄰的鋼絲繩,都是在一定區(qū)域內(nèi)發(fā)生腐蝕的,如圖4所示。
有些情況下,一根鋼絲繩腐蝕,延伸長度可達(dá)10m以上經(jīng)驗證明,蝕監(jiān)測器是快速確定運行
中大長度平膠帶損傷地點的實用工具。迄今為止,用CBM已進(jìn)行過150多次各種皮帶前業(yè)
性檢查。
固定連續(xù)監(jiān)測與定期監(jiān)測究以何者為宣這個問題,應(yīng)予考慮。根據(jù)目前情況,偶而監(jiān)測
已能滿足工業(yè)要求,尚無安裝連續(xù)監(jiān)測設(shè)備之例但如因橡膠面質(zhì)被鋒利物料割傷酸性水滲
入切口致使出現(xiàn)迅速腐蝕情況,長期監(jiān)測或許是可行的。尼爾森式的可編程序的CBM將可用
于連續(xù)檢測。
斷繩監(jiān)測器
圖1所示傳感器曾成功地用來檢測運動中的膠帶鋼絲繩芯是否斷裂。鋼絲繩斷裂,通常
是大塊物料沖擊或膠帶與滾筒之間夾有塊狀物料造成的。鋼芯破斷與鋼芯腐蝕同等重要,因
為斷口附近膠帶強度降低。一般在同一橫斷面上有多根鋼芯同時斷裂。如果鋼芯雖然斷
裂,但斷頭仍保持接觸,此時用CBM是測不出質(zhì)量損失的。因此,只測質(zhì)量損失不足以檢測
重大故障。
磁
膠帶接頭
斷繩監(jiān)測器利用磁感應(yīng)原理進(jìn)行檢
測。膠帶的鋼絲繩芯是經(jīng)過軸向磁化的
6次
5
V質(zhì)
信號x
(尚未取得專利,見哈里森1984年撰《斷
 sat hen
5
繩檢測》),因此斷繩形成一個外磁場。3
300mV
回
入
這一磁場行經(jīng)圖1所示傳感器時,傳感線
補償電壓
圈產(chǎn)生一個低頻感應(yīng)電壓。利用濾波器從
斷繩信號中濾去表示鋼體質(zhì)量的5kHz磁
打描上下
阻信號。圖5示監(jiān)測系統(tǒng)用于同時檢測腐
數(shù)字樸8
蝕與斷繩的電路系統(tǒng)。只測斷繩是一種極圖55kz信號(鋼體質(zhì)量及傳感器感應(yīng)電壓
為合算的量測,因為它無需電子處理儀表
斷)處理電路
便可進(jìn)行,因而更適于永久性的監(jiān)測設(shè)1一高通濾波2時鐘3一低通濾波;4-計數(shù)器aD7525
備。
澳大利亞新南威爾士州南布利煤礦在預(yù)處理過程的斜井膠帶上裝設(shè)了一臺固定安裝的斷
繩監(jiān)測器,用以檢查斷繩增長率。每隔一定時間間隔定期將傳感線圈輸出接至圖形記錄器,直
接得出讀數(shù)。使用經(jīng)驗證明,預(yù)磁化的鋼絲繩芯并無隨時間消逝出現(xiàn)失磁跡象。但不時進(jìn)行再
磁化可能還是必要的,以便消除維修設(shè)備雜散磁場造成的亂真磁化作用。換新膠帶也有必要
預(yù)先磁化處理。
鋼芯膠帶硫化接頭測試
井下鋼芯膠帶接頭故障,代價總是極為高昂的。膠帶接頭制成后,難于立即對其狀態(tài)做
出評價,盡管曾經(jīng)做過一些償試。迄今為止,最好的辦法恐怕是就用接頭材料制成一塊拉出試
驗試樣,測試其粘合力,盡管這樣做對整個接頭特性并不具有代表性造成接頭故障的原因,
多種多樣(哈里森1984年撰《運輸機(jī)膠帶接頭故障檢測》,這里有接合不正確、水分、鋼
絲繩芯有細(xì)、溶液不對、壓接溫度或壓力錯誤。
139
曾對測試接頭粘合力減小的幾種技術(shù)進(jìn)行過研究,包括接頭表面變形測定,接頭沖擊
波測試和磁圖測試,現(xiàn)分述如下:
1.通過測量表面變形測試接頭
粘合故障和彈性液體的故障,可用量測接頭表面應(yīng)變的方法去現(xiàn)場檢測(哈里森1984年
撰《輸送機(jī)膠帶接頭故障檢測》)。量測方法是在低張力區(qū)接頭表面上畫一組橫向平行線,
再在高張力區(qū)量其直線度。線條如有畸變,即表示粘合鋼芯與非粘合鋼芯之間有相對移動。
膠帶鋼芯滑動,通常發(fā)生在接頭內(nèi)繩端附近,造成彈性膠體表面變形。圖6是一組用于反映
接頭內(nèi)鋼芯端頭附近表面變形程度的等值線。經(jīng)用高級X射線照相攝取鋼芯間脫膠及彈性膠
體開裂圖象驗證,證明利用表面變形測量技術(shù)所做預(yù)測結(jié)果屬實。
利用直線技術(shù)進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果,也經(jīng)破壞性試驗證實。般地說,位移量大于0.5mm即
屬情況嚴(yán)重;如果表面有5mm位移,則膠帶張力解除后表面可形成一塊高約40mm長約250mm
的隆起部分。圖7表示不同鋼絲繩芯直徑下零張力隆起高度與鋼芯滑動量之間的相互關(guān)系。
在某些極易達(dá)到張力極低甚或零張力狀態(tài)的膠帶機(jī)裝置上,接頭如有隆起即表示鋼芯滑動。
將接頭置于平臺上,參照圖7即可求得滑動量。
隆起
亮度
鋼直徑
位移等值線
m
志滑動長度
圖6表面位移等值線表示面層與鋼芯脫膠嚴(yán)重地方圖7常用鋼芯直徑隆起高度與滑動量的關(guān)系曲線
6
2.利用沖擊波技術(shù)測接頭
沖擊波波前穿過接頭走行時間的長
短,可說明鋼芯與彈性膠體之間的粘合情
況。在進(jìn)行的試驗中,用一只大橡膠錘于
距接頭約1m的地點敲擊膠帶沖擊產(chǎn)生
彈性波,沿膠帶傳入接頭。接頭前后緣各
接一個加速度計檢測沖擊波穿過接頭的走
行時間。圖8為測試裝置示意圖。
兩個加速度計及錘擊點位于同一直線
上,此線與膠帶邊平行。沿一條線測取讀
圖8接頭沖擊波測試試驗裝置
數(shù)后,移至第二線、第三線,再測、再讀,直
1帶,2一接頭;3一托架4一錘擊:5一敲擊點
6-dp600波前分析器7一加速度計8測試線
至測完接頭全寬。根據(jù)讀數(shù),畫出接頭各點
140
的波行時間曲線。圖9為一組曲型波行時間曲線,
分別表示膠帶接頭粘合良好及各種接頭故障。其中走行時間
 ms4
之一為粘合不良。
一般地講,走行時間極短表示鋼芯破斷但仍接
觸或沿鋼芯與彈性膠體粘合不良;走行時間長表示
膠
附近鋼芯松動或脫膠或鋼芯銹蝕。這些現(xiàn)象取決于
局部集中的彈性與密度之比,其有效彈性決定于
彈性模量較高的鋼絲繩與彈性模量較低的橡膠之間
的配合。膠帶接頭的性能相當(dāng)于一個電氣濾波器,
沖擊波前穿過接頭的損失是由振幅和頻率的傳遞功
良好接頭16/1135
能共同決定的。
3.利用磁圖分析測試接頭
一空
為了檢測鋼芯破斷及鋼芯端頭而對鋼絲繩芯膠
一芯蝕
帶進(jìn)行的預(yù)磁化處理,在接頭內(nèi)也產(chǎn)生出一個與
粘合不
鋼芯端之間有大114
膠帶中所有其它場迥異的磁場,唯獨它與鋼芯接
合有關(guān)。圖1所示裝置,可監(jiān)測損鋼芯及鋼芯
切割不正確等接頭構(gòu)造細(xì)節(jié)上的異常。結(jié)合沖擊波
測試,這項技術(shù)也可初步用于查找可懷疑的接頭,
鋼芯斷裂
仍接放
 C/D
因為它的監(jiān)測方法與斷繩監(jiān)測方法完全相同,都是
用實時非接觸式監(jiān)測方法檢測運動中的膠帶。這個
監(jiān)測方法曾在澳大利亞一條斜并膠帶上進(jìn)行過試
撕裂修復(fù)
驗。這項技術(shù)還在進(jìn)一步做試驗和實驗室工作,以期
鋼芯過近
為每一種可能制造的接頭類型做出理想的相關(guān)的磁
圖。每個接頭至少分為三個階段,而每家膠帶制造
接頭寬
廠提出的接頭結(jié)構(gòu)形式又是多種多樣。這就使此項
圖9典型波行時間曲線
工作愈趨復(fù)雜。
結(jié)語
過去五年中在使用中的鋼芯膠帶輸送機(jī)上,做了大量試驗工作。目的在于通過發(fā)展膠帶
和接頭監(jiān)測技術(shù)改善運輸膠帶的安全運行。對膠帶鋼絲繩芯腐蝕,鋼芯破斷,及膠帶接頭等
均做了研究。目前,接頭的研究與監(jiān)測程序尚不完善,然而預(yù)期將在兩年之內(nèi)得出結(jié)論。并
與最近開始的 Kevlar接頭分析計劃交叉進(jìn)行
〔參考文獻(xiàn)略〕
(劉紹元譯兆瑞校
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02-08