基于红外热像检测的截齿煤岩截割特性与闪温分析*

张　强，王海舰，王　兆，闻学震

（1.辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000；2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连116023；3.四川理工学院材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川643000）

基于红外热像检测的截齿煤岩截割特性与闪温分析*

张强1，2，3*，王海舰1，王兆1，闻学震1

（1.辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000；2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连116023；3.四川理工学院材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川643000）

为实现采煤机截割过程中煤岩界面的精确动态识别，对采煤机截齿截割煤岩过程中的红外热像特性以及瞬态闪温差异进行研究，建立采煤机截齿煤岩截割试验台，分析得到截齿截割煤、岩过程中的温度演化规律及闪温特征。研究结果表明，截齿截割煤、岩过程中在齿尖一侧均产生突兀的点状闪温区，截岩时高温区范围与闪温瞬态峰值明显大于截煤过程，其二者峰值差与采煤机牵引速度及滚筒转速成正比，且煤岩硬度差异越大，截齿温度场峰值差越明显。研究结果为实现煤岩界面动态识别提供了重要的理论及数值依据。

传感器应用；截齿；红外热像；自供电闪温；煤岩识别；峰值

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.011

综采工作面煤岩走向错综复杂，采煤机在开采过程中经常遇到夹矸或岩石断层［1-2］，不但大大影响出煤的质量，还会造成截割过程中截齿的加速磨损，尤其是遇到强硬岩时，截齿在截割过程中受到剧烈的冲击，容易造成截齿折断［3-4］，大大降低采煤机的截割效率。因此，实现采煤机截割过程中煤岩界面的有效动态识别，对提高采煤机的工作效率，延长采煤机截齿的使用寿命具有非常重要的意义。

国外针对煤岩界面识别的研究相对较早，如基于煤岩自然伽玛射线辐射特性的NGR（Natural Gamma Radiation）传感器法以及基于电磁测试技术的雷达测试方法和电子自旋共振法两种煤岩界面识别方法［5］。近年来，随着传感技术与信号处理技术的快速发展，针对煤岩界面识别的方法研究也不断的深入。张宁等［6］通过提取采煤机滚筒扭矩的时域信号，提出了一种基于主成分分析和BP神经网络的煤岩界面识别方法；姜庆学等［7］通过对采煤机截割煤、岩过程中有功功率微小变化差异，实现对煤岩界面的有效识别；王水生［8］通过测试分析采煤机滚筒在截割煤岩过程中的振动特性规律，提出并设计了一种基于振动特性分析的采煤机煤岩识别控制系统；单亚锋等［9-10］采用光纤Bragg光栅声发射传感器以及PSO-SVM分析方法测试和提取煤岩破裂的声发射信息；孙继平等［11］利用煤岩图像多尺度分解情况下的特点分别构造基于灰度共生矩阵、不同尺度分解条件以及不同尺度分解系数的三个特征子向量，进而构造纹理特征向量，最后结合支持向量机对煤岩图像进行分类识别；汪玉凤等［12］根据放顶煤时产生的声波种类、数量和环境特点，采用含噪的超完备独立分量分析方法分离放顶煤过程中产生的煤岩混合声波信号。

上述多种方法虽然在一定程度上能够实现煤岩界面的识别和判定，但判定精度受现场实际工况、扰动信号以及采煤机自身因素等影响较大。采用红外热像非接触式方法测试和分析截齿截割煤、岩过程中的温度场及闪温特征，建立煤、岩截割过程中的温度特征规律，可以有效解决以上多个瓶颈问题，为实现煤岩界面的精确动态识别提供一种有效的技术方法。

1　煤岩截割红外热像试验

1.1煤岩截割实验台

为了提取和识别采煤机截齿截割煤、岩过程中的红外热像特征信息，搭建如图1所示的采煤机截齿煤岩截割实验台。实验台主要由行走机构、截割机构两部分组成：行走机构包括滑轨、丝杠、行走滑块、轴承支架以及驱动电机；截割机构由工作台上的截割电机、蜗轮蜗杆减速器、传送带以及均布有截齿的滚筒组成。

图1　采煤机截齿煤岩截割试验台

煤岩截割试验台的截割电机与蜗轮蜗杆减速器之间采用传送带进行连接驱动，防止由于截割阻力过大导致截割电机堵转而过载烧毁；滚筒的截割速度通过变频器调节截割电机的转速来实现；蜗轮蜗杆减速器的减速比为38∶1，有效降低采煤机滚筒的转速，增大滚筒的负载转矩。

1.2浇筑煤、岩试件

根据截割实验的实际需要和相似材料原则，采用水泥、沙子、煤块以及特骨料等浇筑不同硬度、不同结构的煤、岩试件［13-14］，煤、岩试件的尺寸为500 mm× 400 mm×150 mm，将浇筑材料搅拌均匀后放入模具中进行塑形和晒干处理，煤、岩试件根据不同材料比例各浇筑7块，待成型及晒干后采用测试仪器分别对各个煤、岩试件进行硬度测定，测得各试件的硬度如表1所示。

表1　各煤、岩试件的硬度标定

1.3截割实验原理及方法

由斯蒂芬-波尔兹曼定律可知，截齿截割煤、岩过程中表面温度的变化会导致红外辐射出射度的变化［15］，因此，只要红外热像仪具有足够的灵敏度，就能实时动态的捕捉到这一变化。红外热像仪采用德国英福泰克公司生产的VCi ET780型高热灵敏度检测专家型红外热像仪，光谱范围为7.5μm～14 μm；热灵敏度可达0.03℃，其实验室煤、岩截割红外热像测试试验如图2所示。

图2　煤、岩试件现场截割测试试验

采煤机在截割煤岩过程中，截齿与煤岩产生剧烈碰撞和摩擦，截齿截割煤、岩过程中的红外热像特征差异与煤、岩自身的硬度、采煤机的牵引速度以及滚筒转速密切相关，此外还可能受部分微小扰动误差影响，由此建立截齿截割煤、岩过程中影响闪温峰值的数学关系模型：

T=T（F，Vs，Vω，r）（1）式中，T表示截齿截割煤、岩过程中的闪温峰值；F表示煤、岩试件的硬度；Vs表示采煤机截割过程中的牵引速度；Vω表示采煤机截割过程中的滚筒转速；r为外界环境影响造成的微小扰动。

为研究不同煤岩硬度、牵引速度以及滚筒转速条件下截齿截割的红外热像特征［16］，分别开展两种类别的截割实验：

①相同牵引速度、滚筒转速条件下，不同硬度煤、岩试件截割的红外特征信号提取与识别；

②任选一组煤、岩试件，不同牵引速度或滚筒转速条件下，煤、岩截割红外热像特征信号的提取与识别。

3　煤岩截割红外特征分析

3.1不同硬度煤、岩截割红外热像分析

随机选择一组煤、岩试件进行截割试验，保持截割速度和截割深度恒定，得到的截齿红外热像图分别如图3所示。图3中，煤壁试件的硬度f=3.2，岩石试件的硬度f=5.5，对图3红外热像图进行特征分析与提取，分别得到截齿截割煤、岩试件时的温度-频率曲线如图4所示。

图3　截齿截割煤、岩的红外热像图

图4　截齿截割煤、岩试件的温度-频率曲线

结合图3和图4分析可知，截齿在截割煤、岩试件过程中，在齿尖处均产生突兀的点状闪温区，当岩试件硬度大于煤试件硬度时，截岩过程中的高温温度场范围明显大于截煤过程，二者的闪温峰值差为9.6℃。

保持截割速度与截割深度不变，依次对14个不同硬度的煤、岩试件进行红外热像检测截割试验，分别对各煤、岩试件截割后的截齿红外热像图进行分析和特征提取，得到截割不同硬度的煤、岩时截齿的闪温峰值如表2所示。

表2　截割不同硬度煤、岩试件时截齿闪温峰值

由表2可以看出，截齿截割煤、岩试件时，其闪温峰值均随着硬度值的增大而增大。当煤、岩试件的硬度相同时（f=3.2），其截齿截割过程中的闪温峰值非常接近，峰值差仅为0.2℃，说明对于相同硬度条件的煤、岩试件，截齿在截割过程中的闪温值基本一致，局部偏差可能由于煤、岩内部结构不同或外界环境影响所导致；而当煤、岩试件硬度不同时，其截齿的闪温峰值差异显著，由表2可以看出，二者的硬度差异越大，其闪温峰值差越明显，当二者的硬度差为7.3时，最大闪温峰值差达到21℃。由于闪温峰值越高，其红外信号表征越弱越易受外界环境因素影响，且红外热像仪只能检测到截齿表面发出的红外线，截齿摩擦面内部温度要高于表面温度，因此检测到的截齿温度场分布及闪温峰值近似但偏低于实际值，实验所得闪温峰值主要用于实现截齿截割不同硬度煤、岩试件时的相互对比分析。

3.2变牵引速度工况红外热像分析

采煤机滚筒在截割过程中其进给截割深度受自身牵引速度的影响，牵引速度越大，单位时间内截齿的煤、岩截割量越大，因此，不同牵引速度工况下，截齿截割煤、岩过程中的温度场及闪温特征必然存在很大差异。分别选取f=3.2的煤试件以及f=5.5的岩试件，保证滚筒转速恒定不变，分别测试和提取牵引速度为3 mm/s、6 mm/s、9 mm/s和12 mm/s时截齿截割煤、岩试件的温度场分布及闪温特征，得到的截齿红外热像图分别如图5所示，由于煤岩截割试验台安装位置、红外热像仪检测角度以及外界环境因素影响，各红外热像图中在截齿一侧均出现温度较低的暗黑色区域，对温度场及闪温峰值的分析不构成影响。其不同牵引速度截割时截齿的瞬时闪温值对比如表3所示。

表3　不同牵引速度截割时截齿闪温值对比

由图5截齿截割煤、岩时的红外热像图以及表3中截齿瞬时闪温值的对比可以看出，截齿截割煤、岩过程中，其闪温区均出现在截齿与煤岩接触的齿尖附近且随着牵引速度的增大，截齿在截割煤、岩过程中其温度场均产生剧烈变化，高温面积不断扩大，二者的闪温峰值均随着牵引速度的增大而增大，其瞬时闪温峰值差随牵引速度的增大呈非线性的增长趋势。当牵引速度为12 mm/s时，闪温峰值差达到15.3℃，即当煤、岩的硬度以及滚筒转速一定时，采煤机的牵引速度越大，截割过程中截齿的闪温峰值差越明显，说明牵引速度越大，截齿在截割煤岩过程中的温度差异越大，则越容易根据红外热像信息实现截割煤、岩工况的识别。

图5　不同牵引速度截割条件下截齿红外热像图

3.3变滚筒转速工况红外热像分析

采煤机滚筒在截割煤、岩过程中，滚筒的截割转速不同，截齿与煤、岩的摩擦力以及截割冲击强度存在较大差异，导致截齿表面的温度场分布以及闪温峰值产生不同程度的变化。

仍选取硬度f=3.2的煤试件以及f=5.5的岩试件，保持采煤机牵引速度为恒定值，进行截割实验，得到不同滚筒转速条件下截齿截割煤岩过程中的红外热像图如图6所示，其瞬时闪温峰值对比如表4所示。

由图6不同滚筒转速条件下截齿截割煤、岩试件的红外热像图可以看出，随着滚筒转速的不断增大，截齿的高温区面积不断扩大，滚筒转速越快，其瞬时闪温峰值也越高，结合表4可以得出，采煤机的滚筒转速越大，截齿截割煤、岩过程中的峰值温差越明显。

表4　不同滚筒转速截割时截齿闪温值对比

图6　不同牵引速度截割条件下截齿红外热像图

4　结论

通过对不同硬度、牵引速度以及滚筒转速条件下截齿截割煤、岩的红外热像图进行提取和对比分析，得到如下结论：①截齿在截割煤、岩过程中，温度场均产生变化，且均产生突兀的点状闪温区；②煤、岩的硬度越大，其截齿的热效应越明显，瞬时闪温峰值越高，二者的差值随硬度差的增大而增大；③采煤机牵引速度及滚筒转速的变化对截齿的温度场及闪温峰值均有明显的影响，牵引速度和滚筒转速越大，截齿截割煤、岩时温度场的最高温度越高，且二者的峰值差越大。

测试与分析结果为采用红外热像方法实现采煤机截割过程中煤岩界面的动态识别提供了重要的理论和数值依据。

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张强（1980-），男，辽宁岫岩人，教授，博士，博士后，博士生导师，辽宁工程技术大学机械工程学院，主要研究领域为矿山机械动态设计及监测技术，lgdjx042@126.com；

王海舰（1987-），男，辽宁铁岭人，辽宁工程技术大学博士研究生，主要研究方向为机械设计与智能控制，qingseyuji2010@ 163.com。

Analysis of Coal-Rock’s Cutting Characteristics and Flash Temperature for Peak Based on Infrared Thermal Image Testing*

ZHANG Qiang1，2，3*，WANG Haijian1，WANG Zhao1，WEN Xuezhen1
（1.College of Mechanical Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin Liaoning 123000，China；2.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116023，China；3.Sichuan University of Science&Engineering，Material Corrosion and Protection Key Laboratory of Sichuan Province，Sichuan 643000，China）

In order to realize the accurate dynamic identification of coal-rock interface during the cutting process of shearer，studied on the infrared thermal image characteristics and the transient flash temperature difference of shearer in the process of cutting coal and rock，established the coal-rock cutting testing bench for shearer’s picks，obtained the temperature evolutionary law and flash temperature characteristic by analyzing.The study indicated that both producing the unexpected point flash temperature region at the tip of the pick during cutting coal and rock，and the range of flash temperature zones and the transient peak is significantly larger than that of coal cutting pro⁃cess，the difference of peak value varies inversely with the haulage speed and drum speed of shearer，and the great⁃er the hardness difference of coal and rock is，the more obvious the difference of picks’temperature field peaks will be.The research results provide important theoretical and numerical basis for the dynamic identification of coalrock interface.

sensor application；pick；infrared thermal images；flash temperature；coal-rock identification；peak value

TP272，TH811

A

1004-1699（2016）05-0686-07

项目来源：国家自然科学基金项目（51504121）；教育部博士点基金项目（20132121120011）；工业装备结构分析重点实验室开放基金项目（GZ1402）；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划项目（LJQ2014036）；辽宁“百千万人才工程”培养经费项目（2014921070）

2015-11-22修改日期：2016-01-15