基于激光传感器技术的胶带纵向撕裂保护装置的研究

陈炳耀 孙建平 朱东岳

(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古自治区包头市，014010)

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基于激光传感器技术的胶带纵向撕裂保护装置的研究

陈炳耀 孙建平 朱东岳

(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古自治区包头市，014010)

分析了胶带的撕裂原因，介绍了胶带撕裂监测保护研究现状及存在的问题，提出了基于激光传感器技术来进行胶带纵向撕裂监测的方法，详细阐述了胶带纵向撕裂保护装置的研发。实际应用表明，该装置运行平稳可靠，达到了预期的效果。

激光传感器 胶带纵向撕裂 保护装置

由于带式输送机具有长距离连续运输、运行可靠与易于实现自动化等特点，因此在煤矿企业地面和井下原煤运输中广泛应用。胶带是带式输送机的主要组成部分，在带式输送机中即是牵引机构又是承载机构，用量较大且成本较高，约占带式输送机成本的50%左右，如果胶带发生撕裂事故，则经济损失巨大。胶带事故严重时还会毁坏机架、减速器以及电动机等相关设备，造成胶带和物料的大量堆积，甚至人员伤亡。因此，研究胶带撕裂保护装置十分必要。

1 胶带撕裂原因分析

通过对胶带纵向撕裂事故分析和资料查询发现，带式输送机的胶带纵向撕裂易发生在输送机落料点处，发生撕裂的主要原因主要有以下几点：

(1)尖锐物(如矸石、大块废钢铁、木棒等)刺穿胶带，卡在输送机机架或托辊上，不能随物料前进，而胶带继续高速运行造成撕裂。

(2)坚硬物料堆积在进料漏斗与胶带之间或清扫器与胶带之间，逐渐磨透胶带造成撕裂。

(3)胶带寿命、跑偏以及托辊端盖未焊好等原因也会造成胶带撕裂。

2 胶带撕裂监测方法分析

根据胶带撕裂的原因，国内外专家对胶带纵向撕裂保护装置进行了大量分析研究，提出了多种监测方法，这些方法大致可以分为以下四大类：

(1)第一类为胶带纵向撕裂后，会产生漏料这一伴随现象，对漏料信号进行采集，实现胶带纵向撕裂保护。主要保护方式有落料称重传感式、落料触碰拉绳开关式、落料平衡翻板开关式、落料红外传感式。

(2)第二类为胶带信号预埋式，在制造胶带时，提前置入封闭导线、金属线圈、磁性棒等纵向撕裂的传感信号源，利用检测这个信号源来实现纵向撕裂保护。

(3)第三类为负荷式，利用纵向撕裂时负载突变来监测电动机运行功率变化实现保护；或者利用尖锐物卡在输送机机架或托辊上，造成托辊架受力发生突变来监测是否发生撕裂。

(4)第四类为场景图像识别方式，利用高精度摄像设备进行图像识别，来判断胶带是否纵向撕裂等方式。

然而，上述这些方法目前存在着以下不同程度的缺点：

(1)落料称重传感式。该方式在非撕裂情况下落入异物会引起误动作，因为现场工作环境较差，在短时间内积尘也会引起误动作。

(2)落料触碰拉绳开关式。该方式在非撕裂情况下落入异物会引起误动作，要求纵向撕裂后落料的粒度大于50 mm时，才会触碰到拉绳，而纵向撕裂漏料的粒度一般都较小，要等到纵向撕裂后胶带中间的缝隙大于50 mm时才会动作，存在保护可靠性较差的问题。

(3)落料平衡翻板开关式。该方式在非撕裂情况下落入异物会引起误动作，因现场工作环境较差，在短时间内积尘造成不平衡也会引起误动作。开关式没有智能功能，只要传感开关动作就会有输出信号，平衡板在非保护位置也会自动平衡，存在误动作区域。

(4)落料红外传感式。红外线的特征是聚焦性能较差，发射为圆锥柱状，对漏料的粒度反应不敏感，且有漫反射现象，一个发射传感器可以同时给多个接收传感器发送信号，造成漏料后不动作现象。红外线具有一定的穿透性能，当漏料量较少时，也存在不动作的可能性。

(5)胶带信号预埋式。胶带在制造过程中，提前置入传感信号源，造成制造成本昂贵。一般胶带厂家都不生产，使用单位也极少采购。如果在胶带生产后再置入，则造成胶带的二次损伤严重。

(6)负载突变式。胶带运行时的工况是一个相当复杂的过程，负载会随着物料多少变化，变化范围很宽，目前此类保护只停留在研究阶段，没有实物产品可以使用。

(7)图像识别式。胶带运行一段时间后，表面的图像复杂多变，需要较为清晰的图像计算机软件才能分析识别。同时图像识别技术需要的环境条件要相当好，而生产现场条件一般都达不到图像识别的要求，造成这类保护装置的使用范围较小。

3 胶带纵向撕裂保护装置的研发

矿用带式输送机的工作环境恶劣，在工作过程中不仅受到各种电磁信号干扰，同时还受到大量灰尘、油污及不同光谱光线的干扰。所以，凡是用于带式输送机胶带纵向撕裂检测监控装置的各种传感器就要能适应井下各种恶劣环境，就应该具有较高的可靠性及灵敏度以及很强的抗电磁干扰能力，同时还需要具备很强的光线穿透能力、抗环境光干扰能力，这样才能保证传感器数据的准确性，为故障分析判断提供准确依据。

胶带纵向撕裂保护装置的激光发射和接收系统由两部分组成，其中激光发射系统主要由脉冲激光发射管、激光驱动器、发射电路组成；接收系统主要由雪崩光电二极管、接收电路等组成。激光发射器发射一个或一列很窄的激光脉冲(脉冲宽度一般小于50 ns)光束，这个激光脉冲被激光光电传感器接收到，接收器同样产生一个脉冲，通过光电转换电路将光信号转换成电信号输出。恒功率激光发射器发出的信号经接收器接收并经过处理输出电压信号和逻辑信号，再送入主机进行分析识别，做出是否发出警报或停机的命令。激光发射和接收结构如图1所示。

图1 激光发射和接收结构

该激光发射方案采用集成芯片硬件实现，有8个地址4组数据编码。1～8是地址，10～13数据脚，调整Rosc决定振荡频率。接收装置3DU接收红光波段响应速度快，灵敏度高；应用集成电路接收模块进行检波放大输出，对应U3解码芯片，8个地址4组数据解码输出，1～8是地址，10～13数据脚；接收地址设置必须和发射地址一致，这样才能使数据位可以接收到发射端数据的电平信号，对应数据管脚输出高电平，当发射结束后，高电平随之消失。17脚VT是信号接收确认输出，接收到信号输出高电平。

4 胶带纵向撕裂保护装置的工作原理

发生胶带纵向撕裂的机率最高的位置是煤仓落料口，约占90%以上, 激光纵向撕裂保护装置就装在此处, 利用激光传感器，对胶带纵向撕裂后产生的漏料现象进行取样，取样后的信号经可编程控制器进行分析、判断、识别，如发现纵向撕裂，则发出控制信号，停止带式输送机的运行，将纵向撕裂事故损失降低到最小。胶带纵向撕裂保护装置安装示意图如图2所示。

1-激光发射箱；2-激光接收控制箱；3-安装支架；4-下胶带；5-带式输送机支架；6-上胶带图2 胶带纵向撕裂保护装置安装示意图

胶带纵向撕裂保护装置安装于距带式输送机易发生纵向撕裂位置(根据统计资料：发生纵向撕裂位置90%在输送机落料点处，其它10%发生在导料槽处、除尘设备处、称重设备处、取样采集设备处等)的顺物料的运输方向侧10～20 m处，在安装位置处，将激光发射箱、激光接收控制箱及安装支架置于上胶带和下胶带之间，安装支架与带式输送机支架的横槽钢相固定。激光发射箱和激光接收控制箱之间的间距为小于胶带宽度200 mm，与带式输送机支架两边对称安装。

当发生胶带纵向撕裂事故时，防爆控制箱内的动作控制输出回路上的常闭触点打开，执行输送机停车，同时报警控制输出回路上的常开触点闭合，发出声光报警信号；当未发生胶带纵向撕裂而有异物落入、设备自检有故障时，只发出报警信号而输送机不停车。为保证激光传感器能适应现场的复杂环境，本保护装置将激光发射和接收传感器置于箱体内，采用窗口式工作方式。

5 结语

2016年，基于激光传感器技术的胶带纵向撕裂保护装置在北方联合电力公司魏家峁煤矿投入使用，使用近一年来，该装置没有发生任何误动作，和主机接口完全兼容，运行稳定可靠，达到了预期效果，具体表现如下：

(1)激光发射光源稳定，抗干扰能力强，聚焦和定向发射性能好，灵敏度高。

(2)采用5 mm直径的激光发射器可以识别5 mm及以上的漏料信号，保证了保护装置的高灵敏性。

(3)9组激光传感器间安装距离为80 mm，对纵撕后漏料形成的漏料面有可靠的取样功能。在程序设定时，只要有4组及以上信号有输出时，或颗粒漏料使任意1组信号闪烁30次时就会执行停车输出，以防止有异物落入(异物落入形不成漏料面)而误动作，当有3个及以下传感器有输出信号时只报警，不执行停车输出，有效地提高了保护装置的可靠性。

(4)为保证激光传感器能适应现场的复杂环境，本保护装置将激光发射和接收传感器置于箱体内，采用窗口式发射和接收的工作方式。

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Researchonlongitudinaltearprotectiondeviceofconveyorbeltbasedonlasersensortechnology

Chen Bingyao, Sun Jianping, Zhu Dongyue

(College of Mining and Coal, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mogolia 014010， China)

Based on analysis of tearing reason of conveyor belt and introduction of the status and existed problems of conveyor belt tearing monitoring and protection, a method of monitoring the longitudinal tearing of conveyor belt based on laser sensor technology was proposed, and the research and development process of longitudinal tear protection device of conveyor belt was elaborated. The practical application showed that the device operated steadily and reliably and reached expected effects.

laser sensor, conveyor belt longitudinal tear, protection device

内蒙古自治区自然科学基金(2016MS0549)——刮板输送机刮板链保护装置基础问题研究

陈炳耀，孙建平，朱东岳. 基于激光传感器技术的胶带纵向撕裂保护装置的研究[J].中国煤炭，2017，43(12)：102-104.

Chen Bingyao, Sun Jianping, Zhu Dongyue.Research on longitudinal tear protection device of conveyor belt based on laser sensor technology.[J].China Coal，2017，43(12)：102-104.

TD528.1

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陈炳耀(1959-)，男，内蒙古包头人，副教授,现任职于内蒙古科技大学，主要从事运输机械和提升机械的教学与研究。

(责任编辑 路 强)