張 強(qiáng),王海艦,王 兆,聞學(xué)震
(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧阜新123000;2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連116023;3.四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川643000)
基于紅外熱像檢測(cè)的截齒煤巖截割特性與閃溫分析*
張強(qiáng)1,2,3*,王海艦1,王兆1,聞學(xué)震1
(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧阜新123000;2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連116023;3.四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川643000)
為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割過(guò)程中煤巖界面的精確動(dòng)態(tài)識(shí)別,對(duì)采煤機(jī)截齒截割煤巖過(guò)程中的紅外熱像特性以及瞬態(tài)閃溫差異進(jìn)行研究,建立采煤機(jī)截齒煤巖截割試驗(yàn)臺(tái),分析得到截齒截割煤、巖過(guò)程中的溫度演化規(guī)律及閃溫特征。研究結(jié)果表明,截齒截割煤、巖過(guò)程中在齒尖一側(cè)均產(chǎn)生突兀的點(diǎn)狀閃溫區(qū),截巖時(shí)高溫區(qū)范圍與閃溫瞬態(tài)峰值明顯大于截煤過(guò)程,其二者峰值差與采煤機(jī)牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速成正比,且煤巖硬度差異越大,截齒溫度場(chǎng)峰值差越明顯。研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)煤巖界面動(dòng)態(tài)識(shí)別提供了重要的理論及數(shù)值依據(jù)。
傳感器應(yīng)用;截齒;紅外熱像;自供電閃溫;煤巖識(shí)別;峰值
EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.05.011
綜采工作面煤巖走向錯(cuò)綜復(fù)雜,采煤機(jī)在開(kāi)采過(guò)程中經(jīng)常遇到夾矸或巖石斷層[1-2],不但大大影響出煤的質(zhì)量,還會(huì)造成截割過(guò)程中截齒的加速磨損,尤其是遇到強(qiáng)硬巖時(shí),截齒在截割過(guò)程中受到劇烈的沖擊,容易造成截齒折斷[3-4],大大降低采煤機(jī)的截割效率。因此,實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割過(guò)程中煤巖界面的有效動(dòng)態(tài)識(shí)別,對(duì)提高采煤機(jī)的工作效率,延長(zhǎng)采煤機(jī)截齒的使用壽命具有非常重要的意義。
國(guó)外針對(duì)煤巖界面識(shí)別的研究相對(duì)較早,如基于煤巖自然伽瑪射線輻射特性的NGR(Natural Gamma Radiation)傳感器法以及基于電磁測(cè)試技術(shù)的雷達(dá)測(cè)試方法和電子自旋共振法兩種煤巖界面識(shí)別方法[5]。近年來(lái),隨著傳感技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展,針對(duì)煤巖界面識(shí)別的方法研究也不斷的深入。張寧等[6]通過(guò)提取采煤機(jī)滾筒扭矩的時(shí)域信號(hào),提出了一種基于主成分分析和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煤巖界面識(shí)別方法;姜慶學(xué)等[7]通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割煤、巖過(guò)程中有功功率微小變化差異,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖界面的有效識(shí)別;王水生[8]通過(guò)測(cè)試分析采煤機(jī)滾筒在截割煤巖過(guò)程中的振動(dòng)特性規(guī)律,提出并設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)特性分析的采煤機(jī)煤巖識(shí)別控制系統(tǒng);單亞鋒等[9-10]采用光纖Bragg光柵聲發(fā)射傳感器以及PSO-SVM分析方法測(cè)試和提取煤巖破裂的聲發(fā)射信息;孫繼平等[11]利用煤巖圖像多尺度分解情況下的特點(diǎn)分別構(gòu)造基于灰度共生矩陣、不同尺度分解條件以及不同尺度分解系數(shù)的三個(gè)特征子向量,進(jìn)而構(gòu)造紋理特征向量,最后結(jié)合支持向量機(jī)對(duì)煤巖圖像進(jìn)行分類識(shí)別;汪玉鳳等[12]根據(jù)放頂煤時(shí)產(chǎn)生的聲波種類、數(shù)量和環(huán)境特點(diǎn),采用含噪的超完備獨(dú)立分量分析方法分離放頂煤過(guò)程中產(chǎn)生的煤巖混合聲波信號(hào)。
上述多種方法雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)煤巖界面的識(shí)別和判定,但判定精度受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況、擾動(dòng)信號(hào)以及采煤機(jī)自身因素等影響較大。采用紅外熱像非接觸式方法測(cè)試和分析截齒截割煤、巖過(guò)程中的溫度場(chǎng)及閃溫特征,建立煤、巖截割過(guò)程中的溫度特征規(guī)律,可以有效解決以上多個(gè)瓶頸問(wèn)題,為實(shí)現(xiàn)煤巖界面的精確動(dòng)態(tài)識(shí)別提供一種有效的技術(shù)方法。
1.1煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)
為了提取和識(shí)別采煤機(jī)截齒截割煤、巖過(guò)程中的紅外熱像特征信息,搭建如圖1所示的采煤機(jī)截齒煤巖截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由行走機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)兩部分組成:行走機(jī)構(gòu)包括滑軌、絲杠、行走滑塊、軸承支架以及驅(qū)動(dòng)電機(jī);截割機(jī)構(gòu)由工作臺(tái)上的截割電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、傳送帶以及均布有截齒的滾筒組成。
圖1 采煤機(jī)截齒煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)
煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)的截割電機(jī)與蝸輪蝸桿減速器之間采用傳送帶進(jìn)行連接驅(qū)動(dòng),防止由于截割阻力過(guò)大導(dǎo)致截割電機(jī)堵轉(zhuǎn)而過(guò)載燒毀;滾筒的截割速度通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)截割電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn);蝸輪蝸桿減速器的減速比為38∶1,有效降低采煤機(jī)滾筒的轉(zhuǎn)速,增大滾筒的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
1.2澆筑煤、巖試件
根據(jù)截割實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要和相似材料原則,采用水泥、沙子、煤塊以及特骨料等澆筑不同硬度、不同結(jié)構(gòu)的煤、巖試件[13-14],煤、巖試件的尺寸為500 mm× 400 mm×150 mm,將澆筑材料攪拌均勻后放入模具中進(jìn)行塑形和曬干處理,煤、巖試件根據(jù)不同材料比例各澆筑7塊,待成型及曬干后采用測(cè)試儀器分別對(duì)各個(gè)煤、巖試件進(jìn)行硬度測(cè)定,測(cè)得各試件的硬度如表1所示。
表1 各煤、巖試件的硬度標(biāo)定
1.3截割實(shí)驗(yàn)原理及方法
由斯蒂芬-波爾茲曼定律可知,截齒截割煤、巖過(guò)程中表面溫度的變化會(huì)導(dǎo)致紅外輻射出射度的變化[15],因此,只要紅外熱像儀具有足夠的靈敏度,就能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的捕捉到這一變化。紅外熱像儀采用德國(guó)英福泰克公司生產(chǎn)的VCi ET780型高熱靈敏度檢測(cè)專家型紅外熱像儀,光譜范圍為7.5μm~14 μm;熱靈敏度可達(dá)0.03℃,其實(shí)驗(yàn)室煤、巖截割紅外熱像測(cè)試試驗(yàn)如圖2所示。
圖2 煤、巖試件現(xiàn)場(chǎng)截割測(cè)試試驗(yàn)
采煤機(jī)在截割煤巖過(guò)程中,截齒與煤巖產(chǎn)生劇烈碰撞和摩擦,截齒截割煤、巖過(guò)程中的紅外熱像特征差異與煤、巖自身的硬度、采煤機(jī)的牽引速度以及滾筒轉(zhuǎn)速密切相關(guān),此外還可能受部分微小擾動(dòng)誤差影響,由此建立截齒截割煤、巖過(guò)程中影響閃溫峰值的數(shù)學(xué)關(guān)系模型:
T=T(F,Vs,Vω,r)(1)式中,T表示截齒截割煤、巖過(guò)程中的閃溫峰值;F表示煤、巖試件的硬度;Vs表示采煤機(jī)截割過(guò)程中的牽引速度;Vω表示采煤機(jī)截割過(guò)程中的滾筒轉(zhuǎn)速;r為外界環(huán)境影響造成的微小擾動(dòng)。
為研究不同煤巖硬度、牽引速度以及滾筒轉(zhuǎn)速條件下截齒截割的紅外熱像特征[16],分別開(kāi)展兩種類別的截割實(shí)驗(yàn):
①相同牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速條件下,不同硬度煤、巖試件截割的紅外特征信號(hào)提取與識(shí)別;
②任選一組煤、巖試件,不同牽引速度或滾筒轉(zhuǎn)速條件下,煤、巖截割紅外熱像特征信號(hào)的提取與識(shí)別。
3.1不同硬度煤、巖截割紅外熱像分析
隨機(jī)選擇一組煤、巖試件進(jìn)行截割試驗(yàn),保持截割速度和截割深度恒定,得到的截齒紅外熱像圖分別如圖3所示。圖3中,煤壁試件的硬度f(wàn)=3.2,巖石試件的硬度f(wàn)=5.5,對(duì)圖3紅外熱像圖進(jìn)行特征分析與提取,分別得到截齒截割煤、巖試件時(shí)的溫度-頻率曲線如圖4所示。
圖3 截齒截割煤、巖的紅外熱像圖
圖4 截齒截割煤、巖試件的溫度-頻率曲線
結(jié)合圖3和圖4分析可知,截齒在截割煤、巖試件過(guò)程中,在齒尖處均產(chǎn)生突兀的點(diǎn)狀閃溫區(qū),當(dāng)巖試件硬度大于煤試件硬度時(shí),截巖過(guò)程中的高溫溫度場(chǎng)范圍明顯大于截煤過(guò)程,二者的閃溫峰值差為9.6℃。
保持截割速度與截割深度不變,依次對(duì)14個(gè)不同硬度的煤、巖試件進(jìn)行紅外熱像檢測(cè)截割試驗(yàn),分別對(duì)各煤、巖試件截割后的截齒紅外熱像圖進(jìn)行分析和特征提取,得到截割不同硬度的煤、巖時(shí)截齒的閃溫峰值如表2所示。
表2 截割不同硬度煤、巖試件時(shí)截齒閃溫峰值
由表2可以看出,截齒截割煤、巖試件時(shí),其閃溫峰值均隨著硬度值的增大而增大。當(dāng)煤、巖試件的硬度相同時(shí)(f=3.2),其截齒截割過(guò)程中的閃溫峰值非常接近,峰值差僅為0.2℃,說(shuō)明對(duì)于相同硬度條件的煤、巖試件,截齒在截割過(guò)程中的閃溫值基本一致,局部偏差可能由于煤、巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同或外界環(huán)境影響所導(dǎo)致;而當(dāng)煤、巖試件硬度不同時(shí),其截齒的閃溫峰值差異顯著,由表2可以看出,二者的硬度差異越大,其閃溫峰值差越明顯,當(dāng)二者的硬度差為7.3時(shí),最大閃溫峰值差達(dá)到21℃。由于閃溫峰值越高,其紅外信號(hào)表征越弱越易受外界環(huán)境因素影響,且紅外熱像儀只能檢測(cè)到截齒表面發(fā)出的紅外線,截齒摩擦面內(nèi)部溫度要高于表面溫度,因此檢測(cè)到的截齒溫度場(chǎng)分布及閃溫峰值近似但偏低于實(shí)際值,實(shí)驗(yàn)所得閃溫峰值主要用于實(shí)現(xiàn)截齒截割不同硬度煤、巖試件時(shí)的相互對(duì)比分析。
3.2變牽引速度工況紅外熱像分析
采煤機(jī)滾筒在截割過(guò)程中其進(jìn)給截割深度受自身牽引速度的影響,牽引速度越大,單位時(shí)間內(nèi)截齒的煤、巖截割量越大,因此,不同牽引速度工況下,截齒截割煤、巖過(guò)程中的溫度場(chǎng)及閃溫特征必然存在很大差異。分別選取f=3.2的煤試件以及f=5.5的巖試件,保證滾筒轉(zhuǎn)速恒定不變,分別測(cè)試和提取牽引速度為3 mm/s、6 mm/s、9 mm/s和12 mm/s時(shí)截齒截割煤、巖試件的溫度場(chǎng)分布及閃溫特征,得到的截齒紅外熱像圖分別如圖5所示,由于煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)安裝位置、紅外熱像儀檢測(cè)角度以及外界環(huán)境因素影響,各紅外熱像圖中在截齒一側(cè)均出現(xiàn)溫度較低的暗黑色區(qū)域,對(duì)溫度場(chǎng)及閃溫峰值的分析不構(gòu)成影響。其不同牽引速度截割時(shí)截齒的瞬時(shí)閃溫值對(duì)比如表3所示。
表3 不同牽引速度截割時(shí)截齒閃溫值對(duì)比
由圖5截齒截割煤、巖時(shí)的紅外熱像圖以及表3中截齒瞬時(shí)閃溫值的對(duì)比可以看出,截齒截割煤、巖過(guò)程中,其閃溫區(qū)均出現(xiàn)在截齒與煤巖接觸的齒尖附近且隨著牽引速度的增大,截齒在截割煤、巖過(guò)程中其溫度場(chǎng)均產(chǎn)生劇烈變化,高溫面積不斷擴(kuò)大,二者的閃溫峰值均隨著牽引速度的增大而增大,其瞬時(shí)閃溫峰值差隨牽引速度的增大呈非線性的增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)牽引速度為12 mm/s時(shí),閃溫峰值差達(dá)到15.3℃,即當(dāng)煤、巖的硬度以及滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí),采煤機(jī)的牽引速度越大,截割過(guò)程中截齒的閃溫峰值差越明顯,說(shuō)明牽引速度越大,截齒在截割煤巖過(guò)程中的溫度差異越大,則越容易根據(jù)紅外熱像信息實(shí)現(xiàn)截割煤、巖工況的識(shí)別。
圖5 不同牽引速度截割條件下截齒紅外熱像圖
3.3變滾筒轉(zhuǎn)速工況紅外熱像分析
采煤機(jī)滾筒在截割煤、巖過(guò)程中,滾筒的截割轉(zhuǎn)速不同,截齒與煤、巖的摩擦力以及截割沖擊強(qiáng)度存在較大差異,導(dǎo)致截齒表面的溫度場(chǎng)分布以及閃溫峰值產(chǎn)生不同程度的變化。
仍選取硬度f(wàn)=3.2的煤試件以及f=5.5的巖試件,保持采煤機(jī)牽引速度為恒定值,進(jìn)行截割實(shí)驗(yàn),得到不同滾筒轉(zhuǎn)速條件下截齒截割煤巖過(guò)程中的紅外熱像圖如圖6所示,其瞬時(shí)閃溫峰值對(duì)比如表4所示。
由圖6不同滾筒轉(zhuǎn)速條件下截齒截割煤、巖試件的紅外熱像圖可以看出,隨著滾筒轉(zhuǎn)速的不斷增大,截齒的高溫區(qū)面積不斷擴(kuò)大,滾筒轉(zhuǎn)速越快,其瞬時(shí)閃溫峰值也越高,結(jié)合表4可以得出,采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速越大,截齒截割煤、巖過(guò)程中的峰值溫差越明顯。
表4 不同滾筒轉(zhuǎn)速截割時(shí)截齒閃溫值對(duì)比
圖6 不同牽引速度截割條件下截齒紅外熱像圖
通過(guò)對(duì)不同硬度、牽引速度以及滾筒轉(zhuǎn)速條件下截齒截割煤、巖的紅外熱像圖進(jìn)行提取和對(duì)比分析,得到如下結(jié)論:①截齒在截割煤、巖過(guò)程中,溫度場(chǎng)均產(chǎn)生變化,且均產(chǎn)生突兀的點(diǎn)狀閃溫區(qū);②煤、巖的硬度越大,其截齒的熱效應(yīng)越明顯,瞬時(shí)閃溫峰值越高,二者的差值隨硬度差的增大而增大;③采煤機(jī)牽引速度及滾筒轉(zhuǎn)速的變化對(duì)截齒的溫度場(chǎng)及閃溫峰值均有明顯的影響,牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速越大,截齒截割煤、巖時(shí)溫度場(chǎng)的最高溫度越高,且二者的峰值差越大。
測(cè)試與分析結(jié)果為采用紅外熱像方法實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割過(guò)程中煤巖界面的動(dòng)態(tài)識(shí)別提供了重要的理論和數(shù)值依據(jù)。
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張強(qiáng)(1980-),男,遼寧岫巖人,教授,博士,博士后,博士生導(dǎo)師,遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,主要研究領(lǐng)域?yàn)榈V山機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)技術(shù),lgdjx042@126.com;
王海艦(1987-),男,遼寧鐵嶺人,遼寧工程技術(shù)大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與智能控制,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,F(xiàn)uxin 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
項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504121);教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20132121120011);工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(GZ1402);遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(LJQ2014036);遼寧“百千萬(wàn)人才工程”培養(yǎng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2014921070)
2015-11-22修改日期:2016-01-15