基于紅外熱像檢測的截齒煤巖截割特性與閃溫分析*

張　強，王海艦，王　兆，聞學震

（1.遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧阜新123000；2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連116023；3.四川理工學院材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川643000）

基于紅外熱像檢測的截齒煤巖截割特性與閃溫分析*

張強1，2，3*，王海艦1，王兆1，聞學震1

（1.遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧阜新123000；2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連116023；3.四川理工學院材料腐蝕與防護四川省重點實驗室，四川643000）

為實現采煤機截割過程中煤巖界面的精確動態識別，對采煤機截齒截割煤巖過程中的紅外熱像特性以及瞬態閃溫差異進行研究，建立采煤機截齒煤巖截割試驗臺，分析得到截齒截割煤、巖過程中的溫度演化規律及閃溫特征。研究結果表明，截齒截割煤、巖過程中在齒尖一側均產生突兀的點狀閃溫區，截巖時高溫區范圍與閃溫瞬態峰值明顯大于截煤過程，其二者峰值差與采煤機牽引速度及滾筒轉速成正比，且煤巖硬度差異越大，截齒溫度場峰值差越明顯。研究結果為實現煤巖界面動態識別提供了重要的理論及數值依據。

傳感器應用；截齒；紅外熱像；自供電閃溫；煤巖識別；峰值

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

綜采工作面煤巖走向錯綜復雜，采煤機在開采過程中經常遇到夾矸或巖石斷層［1-2］，不但大大影響出煤的質量，還會造成截割過程中截齒的加速磨損，尤其是遇到強硬巖時，截齒在截割過程中受到劇烈的沖擊，容易造成截齒折斷［3-4］，大大降低采煤機的截割效率。因此，實現采煤機截割過程中煤巖界面的有效動態識別，對提高采煤機的工作效率，延長采煤機截齒的使用壽命具有非常重要的意義。

國外針對煤巖界面識別的研究相對較早，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試技術的雷達測試方法和電子自旋共振法兩種煤巖界面識別方法［5］。近年來，隨著傳感技術與信號處理技術的快速發展，針對煤巖界面識別的方法研究也不斷的深入。張寧等［6］通過提取采煤機滾筒扭矩的時域信號，提出了一種基于主成分分析和BP神經網絡的煤巖界面識別方法；姜慶學等［7］通過對采煤機截割煤、巖過程中有功功率微小變化差異，實現對煤巖界面的有效識別；王水生［8］通過測試分析采煤機滾筒在截割煤巖過程中的振動特性規律，提出并設計了一種基于振動特性分析的采煤機煤巖識別控制系統；單亞鋒等［9-10］采用光纖Bragg光柵聲發射傳感器以及PSO-SVM分析方法測試和提取煤巖破裂的聲發射信息；孫繼平等［11］利用煤巖圖像多尺度分解情況下的特點分別構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的三個特征子向量，進而構造紋理特征向量，最后結合支持向量機對煤巖圖像進行分類識別；汪玉鳳等［12］根據放頂煤時產生的聲波種類、數量和環境特點，采用含噪的超完備獨立分量分析方法分離放頂煤過程中產生的煤巖混合聲波信號。

上述多種方法雖然在一定程度上能夠實現煤巖界面的識別和判定，但判定精度受現場實際工況、擾動信號以及采煤機自身因素等影響較大。采用紅外熱像非接觸式方法測試和分析截齒截割煤、巖過程中的溫度場及閃溫特征，建立煤、巖截割過程中的溫度特征規律，可以有效解決以上多個瓶頸問題，為實現煤巖界面的精確動態識別提供一種有效的技術方法。

1　煤巖截割紅外熱像試驗

1.1煤巖截割實驗臺

為了提取和識別采煤機截齒截割煤、巖過程中的紅外熱像特征信息，搭建如圖1所示的采煤機截齒煤巖截割實驗臺。實驗臺主要由行走機構、截割機構兩部分組成：行走機構包括滑軌、絲杠、行走滑塊、軸承支架以及驅動電機；截割機構由工作臺上的截割電機、蝸輪蝸桿減速器、傳送帶以及均布有截齒的滾筒組成。

圖1　采煤機截齒煤巖截割試驗臺

煤巖截割試驗臺的截割電機與蝸輪蝸桿減速器之間采用傳送帶進行連接驅動，防止由于截割阻力過大導致截割電機堵轉而過載燒毀；滾筒的截割速度通過變頻器調節截割電機的轉速來實現；蝸輪蝸桿減速器的減速比為38∶1，有效降低采煤機滾筒的轉速，增大滾筒的負載轉矩。

1.2澆筑煤、巖試件

根據截割實驗的實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、不同結構的煤、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行塑形和曬干處理，煤、巖試件根據不同材料比例各澆筑7塊，待成型及曬干后采用測試儀器分別對各個煤、巖試件進行硬度測定，測得各試件的硬度如表1所示。

表1　各煤、巖試件的硬度標定

1.3截割實驗原理及方法

由斯蒂芬-波爾茲曼定律可知，截齒截割煤、巖過程中表面溫度的變化會導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，就能實時動態的捕捉到這一變化。紅外熱像儀采用德國英福泰克公司生產的VCi ET780型高熱靈敏度檢測專家型紅外熱像儀，光譜范圍為7.5μm～14 μm；熱靈敏度可達0.03℃，其實驗室煤、巖截割紅外熱像測試試驗如圖2所示。

圖2　煤、巖試件現場截割測試試驗

采煤機在截割煤巖過程中，截齒與煤巖產生劇烈碰撞和摩擦，截齒截割煤、巖過程中的紅外熱像特征差異與煤、巖自身的硬度、采煤機的牽引速度以及滾筒轉速密切相關，此外還可能受部分微小擾動誤差影響，由此建立截齒截割煤、巖過程中影響閃溫峰值的數學關系模型：

T=T（F，Vs，Vω，r）（1）式中，T表示截齒截割煤、巖過程中的閃溫峰值；F表示煤、巖試件的硬度；Vs表示采煤機截割過程中的牽引速度；Vω表示采煤機截割過程中的滾筒轉速；r為外界環境影響造成的微小擾動。

為研究不同煤巖硬度、牽引速度以及滾筒轉速條件下截齒截割的紅外熱像特征［16］，分別開展兩種類別的截割實驗：

①相同牽引速度、滾筒轉速條件下，不同硬度煤、巖試件截割的紅外特征信號提取與識別；

②任選一組煤、巖試件，不同牽引速度或滾筒轉速條件下，煤、巖截割紅外熱像特征信號的提取與識別。

3　煤巖截割紅外特征分析

3.1不同硬度煤、巖截割紅外熱像分析

隨機選擇一組煤、巖試件進行截割試驗，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=3.2，巖石試件的硬度f=5.5，對圖3紅外熱像圖進行特征分析與提取，分別得到截齒截割煤、巖試件時的溫度-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

結合圖3和圖4分析可知，截齒在截割煤、巖試件過程中，在齒尖處均產生突兀的點狀閃溫區，當巖試件硬度大于煤試件硬度時，截巖過程中的高溫溫度場范圍明顯大于截煤過程，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14個不同硬度的煤、巖試件進行紅外熱像檢測截割試驗，分別對各煤、巖試件截割后的截齒紅外熱像圖進行分析和特征提取，得到截割不同硬度的煤、巖時截齒的閃溫峰值如表2所示。

表2　截割不同硬度煤、巖試件時截齒閃溫峰值

由表2可以看出，截齒截割煤、巖試件時，其閃溫峰值均隨著硬度值的增大而增大。當煤、巖試件的硬度相同時（f=3.2），其截齒截割過程中的閃溫峰值非常接近，峰值差僅為0.2℃，說明對于相同硬度條件的煤、巖試件，截齒在截割過程中的閃溫值基本一致，局部偏差可能由于煤、巖內部結構不同或外界環境影響所導致；而當煤、巖試件硬度不同時，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，當二者的硬度差為7.3時，最大閃溫峰值差達到21℃。由于閃溫峰值越高，其紅外信號表征越弱越易受外界環境因素影響，且紅外熱像儀只能檢測到截齒表面發出的紅外線，截齒摩擦面內部溫度要高于表面溫度，因此檢測到的截齒溫度場分布及閃溫峰值近似但偏低于實際值，實驗所得閃溫峰值主要用于實現截齒截割不同硬度煤、巖試件時的相互對比分析。

3.2變牽引速度工況紅外熱像分析

采煤機滾筒在截割過程中其進給截割深度受自身牽引速度的影響，牽引速度越大，單位時間內截齒的煤、巖截割量越大，因此，不同牽引速度工況下，截齒截割煤、巖過程中的溫度場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，保證滾筒轉速恒定不變，分別測試和提取牽引速度為3 mm/s、6 mm/s、9 mm/s和12 mm/s時截齒截割煤、巖試件的溫度場分布及閃溫特征，得到的截齒紅外熱像圖分別如圖5所示，由于煤巖截割試驗臺安裝位置、紅外熱像儀檢測角度以及外界環境因素影響，各紅外熱像圖中在截齒一側均出現溫度較低的暗黑色區域，對溫度場及閃溫峰值的分析不構成影響。其不同牽引速度截割時截齒的瞬時閃溫值對比如表3所示。

表3　不同牽引速度截割時截齒閃溫值對比

由圖5截齒截割煤、巖時的紅外熱像圖以及表3中截齒瞬時閃溫值的對比可以看出，截齒截割煤、巖過程中，其閃溫區均出現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、巖過程中其溫度場均產生劇烈變化，高溫面積不斷擴大，二者的閃溫峰值均隨著牽引速度的增大而增大，其瞬時閃溫峰值差隨牽引速度的增大呈非線性的增長趨勢。當牽引速度為12 mm/s時，閃溫峰值差達到15.3℃，即當煤、巖的硬度以及滾筒轉速一定時，采煤機的牽引速度越大，截割過程中截齒的閃溫峰值差越明顯，說明牽引速度越大，截齒在截割煤巖過程中的溫度差異越大，則越容易根據紅外熱像信息實現截割煤、巖工況的識別。

圖5　不同牽引速度截割條件下截齒紅外熱像圖

3.3變滾筒轉速工況紅外熱像分析

采煤機滾筒在截割煤、巖過程中，滾筒的截割轉速不同，截齒與煤、巖的摩擦力以及截割沖擊強度存在較大差異，導致截齒表面的溫度場分布以及閃溫峰值產生不同程度的變化。

仍選取硬度f=3.2的煤試件以及f=5.5的巖試件，保持采煤機牽引速度為恒定值，進行截割實驗，得到不同滾筒轉速條件下截齒截割煤巖過程中的紅外熱像圖如圖6所示，其瞬時閃溫峰值對比如表4所示。

由圖6不同滾筒轉速條件下截齒截割煤、巖試件的紅外熱像圖可以看出，隨著滾筒轉速的不斷增大，截齒的高溫區面積不斷擴大，滾筒轉速越快，其瞬時閃溫峰值也越高，結合表4可以得出，采煤機的滾筒轉速越大，截齒截割煤、巖過程中的峰值溫差越明顯。

表4　不同滾筒轉速截割時截齒閃溫值對比

圖6　不同牽引速度截割條件下截齒紅外熱像圖

4　結論

通過對不同硬度、牽引速度以及滾筒轉速條件下截齒截割煤、巖的紅外熱像圖進行提取和對比分析，得到如下結論：①截齒在截割煤、巖過程中，溫度場均產生變化，且均產生突兀的點狀閃溫區；②煤、巖的硬度越大，其截齒的熱效應越明顯，瞬時閃溫峰值越高，二者的差值隨硬度差的增大而增大；③采煤機牽引速度及滾筒轉速的變化對截齒的溫度場及閃溫峰值均有明顯的影響，牽引速度和滾筒轉速越大，截齒截割煤、巖時溫度場的最高溫度越高，且二者的峰值差越大。

測試與分析結果為采用紅外熱像方法實現采煤機截割過程中煤巖界面的動態識別提供了重要的理論和數值依據。

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張強（1980-），男，遼寧岫巖人，教授，博士，博士后，博士生導師，遼寧工程技術大學機械工程學院，主要研究領域為礦山機械動態設計及監測技術，lgdjx042@126.com；

王海艦（1987-），男，遼寧鐵嶺人，遼寧工程技術大學博士研究生，主要研究方向為機械設計與智能控制，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，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

項目來源：國家自然科學基金項目（51504121）；教育部博士點基金項目（20132121120011）；工業裝備結構分析重點實驗室開放基金項目（GZ1402）；遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃項目（LJQ2014036）；遼寧“百千萬人才工程”培養經費項目（2014921070）

2015-11-22修改日期：2016-01-15