礦用帶式輸送機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造研究

曹文宇

（汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)公司， 山西 交城 030500）

引言

在煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，帶式輸送機(jī)是最為常用的運(yùn)輸設(shè)備。由于煤礦井下工作條件惡劣、運(yùn)輸距離長(zhǎng)以及設(shè)備裝載不均衡，輸送設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)輸送帶斷裂、跑偏、打滑及堆煤等故障。由于該類(lèi)故障的發(fā)生又會(huì)導(dǎo)致二次故障的發(fā)生，如輸送帶跑偏較為嚴(yán)重時(shí)，堆積在一側(cè)的輸送帶在不均衡受力情況下易被托輥或者機(jī)架劃開(kāi)而撕裂，導(dǎo)致輸送機(jī)撒煤嚴(yán)重，隨著時(shí)間推移，大量的堆煤緩慢氧化蓄熱，如遇皮帶摩擦生熱則可引發(fā)火災(zāi)的發(fā)生。礦井帶式輸送機(jī)運(yùn)輸承擔(dān)著礦井主運(yùn)輸?shù)闹厝?，若輸送機(jī)發(fā)生故障，則會(huì)引起相應(yīng)工作區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)陷入癱瘓，嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致礦井全面停產(chǎn)。因此，帶式輸送機(jī)能否安全、高效、可靠運(yùn)行對(duì)礦井的正常安全生產(chǎn)有著重要的影響，因此，加強(qiáng)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警對(duì)提高礦井運(yùn)輸生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。以中興煤業(yè)帶式輸送機(jī)為例，現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際使用中存在很大的問(wèn)題，造成皮帶機(jī)監(jiān)測(cè)功能虛設(shè)，甚至因誤動(dòng)作嚴(yán)重影響正常運(yùn)輸，因此對(duì)中興煤業(yè)現(xiàn)有皮帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改造研究的需求迫在眉睫。

1 帶式輸送機(jī)主要安全隱患分析

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置故障

1）電動(dòng)機(jī)故障。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生電機(jī)過(guò)熱、電流過(guò)大、轉(zhuǎn)速不平衡及噪聲大等現(xiàn)象，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行相關(guān)處理，則很容易造成電動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作，甚至發(fā)生損毀。電動(dòng)機(jī)過(guò)熱主要原因有負(fù)載過(guò)高、定子繞組故障及電壓不穩(wěn)等。電動(dòng)機(jī)電流過(guò)大主要原因有繞組短路及電壓過(guò)高等。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快主要是其調(diào)速裝置出現(xiàn)問(wèn)題，而噪聲過(guò)大主要由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡、軸承不良及零部件安裝不牢固所引發(fā)。

2）減速器故障。帶式輸送機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，減速器齒輪會(huì)出現(xiàn)磨損、點(diǎn)蝕及齒根斷裂等問(wèn)題，進(jìn)一步引發(fā)軸承的損壞，上述問(wèn)題的發(fā)生會(huì)引起減速器發(fā)出異常聲響。減速器選型不合適或者安裝不當(dāng)時(shí)，可能會(huì)造成減速器高速軸發(fā)生斷軸事故，若密封損壞時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致漏油事故的發(fā)生，為井下帶來(lái)火災(zāi)隱患。

3）耦合器故障。帶式輸送機(jī)液力耦合器主要起到平衡功率、降低啟動(dòng)載荷的作用，然而耦合器運(yùn)轉(zhuǎn)速度高，油壓過(guò)高可能導(dǎo)致漏油事故發(fā)生，零部件松動(dòng)會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，油路不暢會(huì)導(dǎo)致油泵不出油，冷卻系統(tǒng)故障導(dǎo)致耦合器過(guò)熱[1-3]。

1.2 輸送帶故障

1）打滑故障。若輸送帶與驅(qū)動(dòng)滾筒間的滑差率較大時(shí)，即二者的運(yùn)行速度不同，則認(rèn)為打滑故障已經(jīng)發(fā)生，該類(lèi)故障導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力無(wú)法到達(dá)輸送帶，降低了生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。輸送帶打滑與輸送帶張力、輸送帶與傳動(dòng)滾筒間的摩擦因素及輸送帶所受的阻力有關(guān)系，當(dāng)張力不足、阻力過(guò)大或者摩擦力過(guò)小時(shí)，都可能導(dǎo)致打滑故障的發(fā)生。

2）斷帶與縱向撕裂故障。輸送帶通過(guò)若干帶段連接而成，因此在接頭處容易發(fā)生橫向斷裂故障，輸送帶接頭處老化或者張力超過(guò)極限值都可導(dǎo)致該類(lèi)故障的發(fā)生。由于輸送帶鋼絲繩橫向通過(guò)芯膠連接，因此其橫向抗變形能力相對(duì)較差，長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使輸送帶橡膠覆蓋層產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，若被異物刮傷則會(huì)造成輸送帶撕裂，導(dǎo)致輸送機(jī)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

3）跑偏故障。輸送機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生輸送帶中心線(xiàn)與機(jī)架中心線(xiàn)不重合的跑偏現(xiàn)象，通常有左右跑偏和蛇形跑偏兩種現(xiàn)象。造成跑偏現(xiàn)象的根本原因是輸送帶兩側(cè)受力不均衡，此外，輸送帶連接時(shí)接口錯(cuò)位造成輸送帶中心線(xiàn)不在一條直線(xiàn)上，機(jī)架制作及安裝精度存在誤差，托輥與機(jī)架中心線(xiàn)不垂直造成托輥兩端受力不均勻，落料點(diǎn)位置不正或輸送帶張力不足等也會(huì)引發(fā)跑偏故障。

4）火災(zāi)故障。當(dāng)輸送帶發(fā)生打滑等故障時(shí)，會(huì)造成輸送帶溫度升高，引發(fā)輸送帶著火。另外，電氣故障、煤塵自燃等外界火源也會(huì)引發(fā)輸送帶著火。

1.3 托輥和機(jī)架故障

1）托輥故障。煤礦井下工作環(huán)境惡劣，托輥受到水或者粉塵等銹蝕作用的影響會(huì)造成托輥轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，加之托輥表面附著有異物，會(huì)造成托輥兩側(cè)的運(yùn)行阻力不一致，導(dǎo)致跑偏故障的發(fā)生。若托輥卡死，與輸送帶長(zhǎng)時(shí)間摩擦生熱，當(dāng)輸送機(jī)停機(jī)后，易引燃輸送帶。

2）機(jī)架故障。機(jī)架作為輸送機(jī)的承載機(jī)構(gòu)，其制作及安裝質(zhì)量對(duì)輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行具有重要作用。機(jī)架常見(jiàn)故障為變形故障，機(jī)架變形會(huì)引發(fā)皮帶跑偏，進(jìn)而引發(fā)其他故障，因此在日常工作中要加強(qiáng)人工巡檢工作。

2 故障監(jiān)測(cè)方案

2.1 打滑與斷帶故障監(jiān)測(cè)

輸送帶發(fā)生打滑故障的根本原因是輸送帶與驅(qū)動(dòng)滾筒的速度不同，而輸送機(jī)發(fā)生斷帶故障時(shí)會(huì)引發(fā)帶速的急劇變化；輸送帶運(yùn)行時(shí)要施加一定預(yù)緊力，當(dāng)輸送帶張力不足時(shí)會(huì)引起打滑故障的發(fā)生，而發(fā)生斷帶故障后，輸送帶張力會(huì)急劇下降，因此可通過(guò)對(duì)輸送帶帶速和張力的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷打滑和斷帶故障發(fā)生情況?，F(xiàn)有的速度保護(hù)傳感器采用在改向滾筒上加裝磁鐵，然后利用霍爾元件原理來(lái)檢測(cè)，但測(cè)量精度低，而且只有一個(gè)速度傳感器，無(wú)法與驅(qū)動(dòng)滾筒的速度形成對(duì)比，速度設(shè)定值無(wú)法修改。因此必須設(shè)計(jì)一種新型的速度檢測(cè)形式來(lái)克服現(xiàn)有傳感器的缺點(diǎn)。

1）帶速監(jiān)測(cè)。輸送帶帶速與從動(dòng)滾筒的線(xiàn)速度近似相等，通過(guò)采用增量式編碼器對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成線(xiàn)速度后進(jìn)行速度比較。如圖1所示，編碼器1測(cè)量驅(qū)動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)速，編碼器2測(cè)量皮帶機(jī)頭改向滾筒轉(zhuǎn)速，通過(guò)比較編碼器1和編碼器2的轉(zhuǎn)速，可以判斷打滑故障和監(jiān)測(cè)皮帶的運(yùn)行速度。

2）張力監(jiān)測(cè)。輸送帶張力靠拉緊裝置來(lái)維持，張力不足會(huì)導(dǎo)致打滑現(xiàn)象的發(fā)生，而張力過(guò)大則可能造成輸送帶斷帶故障，因而對(duì)輸送帶張力的監(jiān)測(cè)可以轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)拉緊裝置的張緊力。如圖2所示，通過(guò)液壓自動(dòng)拉緊裝置來(lái)說(shuō)明張力的測(cè)量方法，輸送機(jī)的改向滾筒固定在張緊小車(chē)上，張緊絞車(chē)通過(guò)滑輪組鋼絲繩對(duì)張緊小車(chē)施加張緊力，則改向滾筒受到同等大小的張緊力，在鋼絲繩上安裝拉力傳感器，則可測(cè)得鋼絲繩的拉力，從而得知張緊力的大小。

圖2 液壓自動(dòng)拉緊裝置

2.2 縱向撕裂故障監(jiān)測(cè)

輸送帶撕裂部位常發(fā)生于裝載點(diǎn)附近，因此可以通過(guò)對(duì)裝載部位的托輥壓力和漏料情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)判斷縱向撕裂故障。

1）壓力檢測(cè)。通過(guò)對(duì)落料口輸送帶下方托輥受力情況來(lái)判斷縱向撕裂故障，落料部位應(yīng)選用緩沖托輥，正常運(yùn)行過(guò)程中緩沖托輥受到托輥?zhàn)灾谿1、托輥上輸送帶質(zhì)量G2、托輥上煤的質(zhì)量G3，這三個(gè)力在垂直方向上的合力為：

而緩沖托輥所受拉力與W間存在力學(xué)關(guān)系為：

當(dāng)α=30°時(shí)，F(xiàn)1+F2=2W，緩沖托輥受力示意圖如圖3所示。若有物料卡在輸送機(jī)上，不論處緩沖托輥上或者托輥之間，均會(huì)改變托輥受力情況，因此可在緩沖托輥側(cè)輥上加裝幾組拉力傳感器，通過(guò)對(duì)拉力變化的檢測(cè)來(lái)得知托輥?zhàn)兓闆r。當(dāng)這幾組拉力值之和超過(guò)極限閥值時(shí)，發(fā)生輸送帶撕裂故障。

2）漏料檢測(cè)。輸送帶撕裂后漏料的檢測(cè)可通過(guò)安裝漏料檢測(cè)器或者加強(qiáng)人工巡檢的方式來(lái)預(yù)防。

圖3 緩沖托輥受力示意圖

2.3 跑偏保護(hù)

輸送帶調(diào)偏可通過(guò)在輸送機(jī)每隔一段距離安裝一組調(diào)心托輥來(lái)進(jìn)行，同時(shí)要在機(jī)架安裝跑偏開(kāi)關(guān)對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)皮帶發(fā)生跑偏時(shí)，會(huì)作用于擺桿導(dǎo)致其左右擺動(dòng)，開(kāi)關(guān)組里面的微動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)生動(dòng)作，可根據(jù)開(kāi)關(guān)變化情況來(lái)判斷皮帶的跑偏程度，并及時(shí)報(bào)警。

2.4 堆煤檢測(cè)

現(xiàn)有的堆煤保護(hù)主要采用在卸煤滾筒前方懸掛堆煤傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，傳感器采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)的原理，在實(shí)際使用中存在很大的問(wèn)題。首先堆煤傳感器的吊掛位置規(guī)定為低于卸煤滾筒200 mm，在現(xiàn)場(chǎng)使用中，卸煤滾筒與落煤點(diǎn)的高度不夠，造成傳感器無(wú)處吊掛。其次在卸煤滾筒與落煤點(diǎn)高度差較大時(shí)由于拋物線(xiàn)的緣故，傳感器離卸煤滾筒距離較遠(yuǎn)，發(fā)生堆煤時(shí)傳感器起不到作用。因此可以采用在卸煤點(diǎn)周?chē)友b圍欄，并在圍欄外面安裝行程開(kāi)關(guān)的方式來(lái)解決。當(dāng)出現(xiàn)堆煤時(shí)，堆積的煤炭會(huì)對(duì)四周的圍欄造成壓力，迫使圍欄向外傾斜，圍欄傾斜時(shí)會(huì)觸碰到行程開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作發(fā)出信號(hào)，從而使保護(hù)裝置動(dòng)作，停止皮帶。

2.5 輸送帶著火監(jiān)測(cè)

該檢測(cè)通過(guò)在皮帶機(jī)布置煙霧傳感器和溫度傳感器來(lái)進(jìn)行火災(zāi)故障識(shí)別。煙霧傳感器必須布置在皮帶驅(qū)動(dòng)滾筒的下風(fēng)側(cè)。溫度傳感器布置在驅(qū)動(dòng)滾筒附近，用以檢測(cè)因驅(qū)動(dòng)滾筒打滑引起的皮帶冒煙著火。在驅(qū)動(dòng)滾筒附近布置自動(dòng)超溫灑水裝置，當(dāng)皮帶出現(xiàn)著火狀況時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行灑水滅火[5]。

2.6 托輥與機(jī)架狀態(tài)監(jiān)測(cè)

托輥和機(jī)架作為輸送機(jī)的主要承載機(jī)構(gòu)，大量安裝傳感器則技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益不明顯，因此，應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)巡檢和維護(hù)來(lái)定期監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框架

圖4 輸送機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框架圖

基于上述分析，設(shè)計(jì)如圖4所示的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框架圖。該系統(tǒng)主要由各安全監(jiān)測(cè)分站、通信網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)測(cè)主站構(gòu)成，通過(guò)分布式監(jiān)測(cè)分站各類(lèi)傳感器對(duì)打滑、斷帶、縱向撕裂、跑偏及著火故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而移動(dòng)巡檢分站則對(duì)輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度、環(huán)境氣體等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將分站監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)街髡緦?duì)故障信息進(jìn)行分析處理，最終實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

中興煤業(yè)自完成皮帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造后，因保護(hù)誤動(dòng)作造成皮帶停車(chē)的次數(shù)和因保護(hù)不起作用造成的皮帶故障大大減少，誤動(dòng)作次數(shù)下降了95%，因皮帶保護(hù)造成的故障下降了98%，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和安全效益。

[1] 張行，李偉，武倩平，等.新型帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（6）：79-82.

[2] 杜平，高睿.基于AVR和LabVIEW的帶式輸送機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].陜西煤炭，2015，34（1）：79-82.

[3] 楊凌霄，崔永濤.基于CAN總線(xiàn)的帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（4）：73-75.

[4] 楊凌霄，崔永濤.基于S3C2410帶式輸送機(jī)監(jiān)控器的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2009，30（11）：3-6.

[5] 悅波.礦用帶式輸送機(jī)監(jiān)控與保護(hù)裝置研究[J].山西焦煤科技，2009（9）：11-13.