徐麗娜

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 永定莊煤業(yè)公司創(chuàng)新公司，山西 大同 037003)

0 引 言

在煤礦物料輸送過(guò)程中，帶式輸送機(jī)是最重要的物料輸送機(jī)電設(shè)備[1]。隨著當(dāng)前煤礦井下工作強(qiáng)度的不斷增加，煤礦帶式輸送機(jī)的運(yùn)量變得越來(lái)越大，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)帶式輸送機(jī)故障[2]。輸送帶是帶式輸送機(jī)中的關(guān)鍵部件，起著承載作用和物料輸送作用。當(dāng)輸送帶在長(zhǎng)期的、高負(fù)荷的復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，它的可靠性會(huì)有所下降，尤其在每一個(gè)轉(zhuǎn)載點(diǎn)非常容易受尖銳物的作用而出現(xiàn)縱撕。且輸送帶在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中非常容易引起內(nèi)部斷絲，當(dāng)內(nèi)部的斷絲達(dá)到一定程度將會(huì)引起輸送帶的斷裂，從而引發(fā)帶式輸送機(jī)斷帶事故[3-5]。帶式輸送機(jī)輸送帶是由內(nèi)部鋼絲和外部橡膠通過(guò)硫化而成，由于內(nèi)部鋼絲繩的斷絲檢測(cè)非常困難，所以現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)主要是采用外部檢測(cè)，外部檢測(cè)無(wú)法建立鋼絲繩內(nèi)部可視化模型，導(dǎo)致最終的檢測(cè)效果不好，因而當(dāng)前檢測(cè)容易出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確、檢測(cè)成本較高、檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題[6]。筆者對(duì)帶式輸送機(jī)斷絲、斷帶和縱撕三類常見(jiàn)故障進(jìn)行分析，提出了一種輸送帶智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案可以準(zhǔn)確采集輸送帶內(nèi)部鋼絲繩斷絲情況，可視化監(jiān)控輸送帶內(nèi)部鋼絲繩分布，有效避免輸送帶出現(xiàn)斷帶和縱撕事故，保證煤礦的安全生產(chǎn)。

1 縱撕、斷帶和斷絲故障分析

輸送帶是帶式輸送機(jī)上的關(guān)鍵部件，起到承載物料和輸送物料的作用。隨著煤礦運(yùn)量的不斷增加，輸送帶在長(zhǎng)時(shí)間滿載運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)縱撕、斷帶和斷絲故障，非常容易引起煤礦事故[7]。

(1) 輸送帶縱撕故障原因及特征

從鋼絲繩芯輸送帶的運(yùn)行過(guò)程來(lái)看，輸送帶在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常會(huì)摻雜著大量的角鋼和槽鋼等物質(zhì)，這些物質(zhì)有尖銳的邊口，容易扎破輸送帶；當(dāng)巷道出現(xiàn)冒頂事故時(shí)，有比較大的石頭掉落，輸送帶容易受到尖銳物沖擊導(dǎo)致出現(xiàn)縱撕。

(2) 輸送帶斷帶故障原因及特征

輸送帶本身處于張緊狀態(tài)，內(nèi)部含有應(yīng)力作用，所以輸送帶的斷帶往往都表現(xiàn)為突然的斷裂，斷帶后輸送帶內(nèi)部能量會(huì)釋放進(jìn)而產(chǎn)生比較大的聲音以及劇烈的機(jī)械能。斷帶原因主要有：輸送帶內(nèi)部鋼絲繩的斷絲、腐蝕以及銹蝕等降低了輸送帶的強(qiáng)度；輸送帶硫化接頭斷裂或損傷導(dǎo)致在接頭位置處出現(xiàn)斷裂。輸送帶的斷帶故障以輸送帶的變形作為特征，并以內(nèi)部鋼絲斷裂和變形作為事故的苗頭，為此在輸送帶斷絲的監(jiān)測(cè)過(guò)程需要重點(diǎn)對(duì)內(nèi)部的鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)接頭位置的鋼絲繩變形進(jìn)行檢測(cè)，加強(qiáng)對(duì)鋼絲繩輸送帶的橫向斷裂檢測(cè)[8]。

(3) 輸送帶斷絲故障原因及特征

輸送帶鋼絲繩的斷絲不同于鋼絲繩的斷帶和縱撕，它發(fā)生在輸送帶的內(nèi)部，由于外部由橡膠包裹，因此對(duì)斷絲的檢測(cè)比較困難[9]。一般而言，內(nèi)部鋼絲繩的斷絲包括局部斷絲、鋼絲繩交叉斷絲、鋼絲繩銹蝕斷絲等多種形式，當(dāng)斷絲積累到一定程度會(huì)引起輸送帶斷帶，所以需要對(duì)輸送帶內(nèi)部斷絲進(jìn)行監(jiān)測(cè)以預(yù)測(cè)輸送帶的狀態(tài)。傳統(tǒng)輸送帶的縱撕、斷帶和斷絲的檢測(cè)一直是由檢測(cè)工人完成，檢測(cè)過(guò)程需要使整個(gè)生產(chǎn)線停下來(lái)，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，檢測(cè)準(zhǔn)確度不高，并且伴隨著危險(xiǎn)工況非常容易出現(xiàn)人員傷亡，圖1所示為輸送帶縱撕和斷絲的傳統(tǒng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖1 輸送帶縱撕與斷帶檢測(cè)技術(shù)

通過(guò)對(duì)鋼絲繩芯輸送帶縱撕、斷帶和斷絲故障進(jìn)行分析可以得出，輸送帶的縱撕斷帶事故往往都是由于內(nèi)部斷絲所造成的，輸送帶故障的識(shí)別與監(jiān)測(cè)最主要的是對(duì)輸送帶中鋼絲繩的監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到內(nèi)部斷絲時(shí)及時(shí)進(jìn)行更換，可以有效避免輸送帶的斷帶事故。

2 縱撕斷帶斷絲故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

2.1 縱撕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

輸送帶縱撕智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以縱撕監(jiān)測(cè)控制模塊為核心，主要由激光發(fā)生器、攝像儀、輸送帶縱撕監(jiān)測(cè)裝置主機(jī)、服務(wù)器和聲光報(bào)警系統(tǒng)等部分組成，圖2所示為縱撕智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)方案。

圖2 輸送帶縱撕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體技術(shù)方案

如圖2所示，縱撕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)激光發(fā)射裝置對(duì)輸送帶下表面發(fā)射激光，激光掃描后顯示出完整的皮帶表面的輪廓，然后由本安型攝像儀(1 024×768的高分辨率)對(duì)輸送帶進(jìn)行高清拍攝。該攝像儀拍攝速度最高達(dá)到了82幀/s，它具有30 cm的縱向視野、0.3 μs的曝光時(shí)間，可以在皮帶運(yùn)動(dòng)速度≤32 m/s的情況下保證采集信號(hào)的完整性。圖3所示為總體監(jiān)測(cè)方案布置圖。

圖3 縱撕總體監(jiān)測(cè)方案

將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸總線輸入縱撕監(jiān)測(cè)模塊中，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理和分析，通過(guò)井下以太環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，得出是否發(fā)生縱撕故障。當(dāng)出現(xiàn)縱撕故障時(shí)，將會(huì)在0.35 s的時(shí)間內(nèi)觸發(fā)聲光報(bào)警器，并通知附近的人員進(jìn)行維修。

2.2 斷帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

為了避免帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷帶事故，需要采集輸送帶的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，為此，設(shè)計(jì)了多重信號(hào)斷帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。圖4所示為斷帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案示意圖，多重信號(hào)監(jiān)測(cè)包括對(duì)輸送帶的帶速檢測(cè)、輸送帶的張力檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流信號(hào)檢測(cè)以及輸送帶斷裂狀態(tài)檢測(cè)，通過(guò)全方位的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保證輸送帶在斷帶前進(jìn)行預(yù)警。

圖4 斷帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

帶速信號(hào)編碼器監(jiān)測(cè)是四重信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，根據(jù)國(guó)內(nèi)多例輸送帶的斷帶事故分析可知，斷帶事故發(fā)生在輸送帶最大張力點(diǎn)附近的概率達(dá)到95%左右。利用動(dòng)張力分析法逐點(diǎn)分析可知，對(duì)于上運(yùn)式輸送機(jī)，張力最大的點(diǎn)出現(xiàn)在輸送帶與驅(qū)動(dòng)滾筒的切入點(diǎn)。如圖4所示，沿輸送帶布置了5個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，一個(gè)編碼器位于機(jī)頭驅(qū)動(dòng)滾筒的主軸上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)滾筒的速度，兩個(gè)編碼器分別位于承載輸送帶分支的下方，另有兩個(gè)編碼器位于回程分支的輸送帶的下方。在輸送機(jī)系統(tǒng)正常工作的過(guò)程中，輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)編碼器一起運(yùn)動(dòng)，信號(hào)采集系統(tǒng)即可通過(guò)采集編碼器運(yùn)行的信息來(lái)判斷輸送帶的運(yùn)行情況。

2.3 斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

輸送帶的斷絲發(fā)生在膠帶的內(nèi)部，要想對(duì)內(nèi)部的鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)需要使用穿透射線進(jìn)行照射。為此在斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的是X射線。X射線的發(fā)射箱是由X射線的發(fā)送裝置、接收裝置、電路控制裝置和上位機(jī)系統(tǒng)組成，X射線發(fā)射裝置安裝在帶式輸送機(jī)的正下方，用于輸送帶信息的準(zhǔn)確采集，其會(huì)形成一條綠色的檢測(cè)線，穿透輸送帶的外表面直接進(jìn)入內(nèi)部鋼絲層。圖5所示為X射線斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。

圖5 X射線斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

如圖5所示，X射線斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案主要由X射線發(fā)射裝置、電路控制模塊、工控機(jī)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，由X射線發(fā)射模塊和電路系統(tǒng)組成了X射線處理箱，可以對(duì)帶式輸送機(jī)照射X射線并接收X射線的反饋信息，其中X射線發(fā)射裝置布置在輸送帶的下方，便于準(zhǔn)確使用X射線對(duì)輸送帶進(jìn)行照射，電路控制模塊主要由多種電路相互連接而成。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與監(jiān)測(cè)效果

為了驗(yàn)證輸送帶縱撕、斷帶和斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案的正確性和合理性，在山西大同煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)布置和應(yīng)用，圖6所示為智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案圖，其中圖6(a)所示為智能監(jiān)測(cè)硬件結(jié)構(gòu)，圖6(b)為軟件監(jiān)控系統(tǒng)界面。

圖6 硬件裝置和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

采用縱撕、斷帶和斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的長(zhǎng)1 500 m的輸送帶進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)所有的故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和自動(dòng)生成歷史數(shù)據(jù)，可以得到如圖7所示的現(xiàn)場(chǎng)故障類型和輸送帶內(nèi)部鋼絲繩效果圖。

圖7 輸送帶縱撕斷絲斷帶檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得出，該套帶式輸送機(jī)縱撕斷帶斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在輸送帶動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中完成對(duì)內(nèi)部鋼絲繩的檢測(cè)，采用穿透性較強(qiáng)的X射線對(duì)輸送帶內(nèi)部和外表面進(jìn)行智能檢測(cè)，避免停機(jī)，大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在上位機(jī)端顯示出內(nèi)部鋼絲的動(dòng)態(tài)影像圖譜，可以清楚識(shí)別內(nèi)部故障，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析和自動(dòng)報(bào)警，并且可以對(duì)異常位置進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，識(shí)別準(zhǔn)確率≥98.6%，誤報(bào)率≤1.4%，缺陷的定位誤差≤150 mm，取得了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)帶式輸送機(jī)輸送帶常見(jiàn)縱撕、斷帶和斷絲故障檢測(cè)困難的問(wèn)題，通過(guò)輸送帶縱撕、斷帶和斷絲特征分析，提出了輸送帶縱撕、斷帶和斷絲智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)總體方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，這套智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確采集輸送帶內(nèi)部斷絲狀況，有效避免煤礦事故發(fā)生，對(duì)于保證帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的作用和意義；整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)98.6%，缺陷定位誤差≤150 mm，具有良好的應(yīng)用效果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。