礦用皮帶機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

崔文亮

（陽煤集團平定裕泰煤業(yè)有限公司， 山西 平定 045200）

1 研究背景及意義

皮帶機是煤礦生產(chǎn)中常用的連續(xù)運輸設(shè)備，而煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，尤其對于運距長、運量大的主運輸皮帶，檢修維護工程量大，在檢修技術(shù)及管理相對較差的情況下，有可能導(dǎo)致皮帶故障發(fā)生，給礦井正常生產(chǎn)帶來隱患，嚴(yán)重時可能會引發(fā)機器損毀及人員傷亡的惡性事件。因此，對皮帶機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，識別并判斷故障發(fā)生類型及部位，及時進行響應(yīng)并報警，對于保證皮帶機安全平穩(wěn)運行，實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。

2 皮帶機常見故障及故障識別方法

皮帶機在運行過程中常會遇到：皮帶打滑、皮帶縱向撕裂、皮帶跑偏、托輥運轉(zhuǎn)不靈活、皮帶火災(zāi)事故、皮帶堆料、皮帶斷裂等故障。在平時的生產(chǎn)工作中要對皮帶運行中各類故障發(fā)生的原因及特點進行分析，以便能夠及時采取相關(guān)維護措施。

1）皮帶打滑故障。若輸送帶的運行帶速與驅(qū)動滾筒的線速度不相同時，導(dǎo)致打滑故障的產(chǎn)生，速度偏差越大則打滑現(xiàn)象也越嚴(yán)重。針對此類故障，可通過在關(guān)鍵部位布置帶速傳感器，對這些位置的帶速v1、v2、v3等進行測量并記錄，與此同時通過轉(zhuǎn)速傳感器對驅(qū)動滾筒的線速度v進行測量，若皮帶出現(xiàn)打滑故障，則v1=v2=v3=…≠v，以此來進行故障識別。打滑同時會引起輸送帶摩擦過熱等現(xiàn)象[1-2]。

2）皮帶縱向撕裂故障。皮帶撕裂故障常發(fā)生于皮帶裝載點附近，高速下落且?guī)в型黄鸹蚶饨堑奈锪先菀讓⑵澠?，若其卡在機架或者托輥上，則會對皮帶產(chǎn)生持續(xù)劃傷，最終引起皮帶的撕裂。皮帶撕裂故障可通過安裝縱撕開關(guān)來進行識別。當(dāng)皮帶發(fā)生縱向撕裂故障時，開關(guān)的運行狀態(tài)將會發(fā)生變化，由此可以判斷皮帶是否發(fā)生縱向撕裂故障。

3）皮帶跑偏故障。當(dāng)輸送帶在運行過程中給料不正或者發(fā)生老化等現(xiàn)象會導(dǎo)致輸送帶偏離運行的中心線而發(fā)生跑偏現(xiàn)象。通過在機架安裝跑偏開關(guān)對故障進行識別，當(dāng)皮帶發(fā)生跑偏時，會作用于擺桿導(dǎo)致其左右擺動，開關(guān)組里面的微動開關(guān)發(fā)生動作，可根據(jù)開關(guān)變化情況來判斷皮帶的跑偏程度，跑偏開關(guān)的彈簧會防止擺桿變形過大而導(dǎo)致開關(guān)損壞。

4）托輥轉(zhuǎn)動不靈活。托輥轉(zhuǎn)動不靈活可以采用測量托輥轉(zhuǎn)速的方式來判別，但由于皮帶機上所用托輥數(shù)量眾多，如果在每個托輥上都安裝轉(zhuǎn)速傳感器耗資巨大，在實際生產(chǎn)中并不具有可行性，針對該類故障還應(yīng)采用維護過程中人工識別的方法來進行。

5）皮帶火災(zāi)事故。皮帶機屬于火災(zāi)重點防護對象，若發(fā)生火災(zāi)則會給礦井安全生產(chǎn)帶來不可逆轉(zhuǎn)的后果。引起皮帶火災(zāi)事故的主要原因有皮帶打滑升溫及外因火災(zāi)等，可通過在皮帶機布置煙霧傳感器和溫度傳感器來進行火災(zāi)故障識別。

6）皮帶堆料事故?？赏ㄟ^堆煤開關(guān)對皮帶堆料故障進行識別，堆煤開關(guān)電極正常情況下處于懸空狀態(tài)，不會與地面接觸，如果發(fā)生堆料故障，則電極與堆煤接觸，從而形成閉合回路，堆煤開關(guān)發(fā)生動作，由此可識別堆煤故障。

7）皮帶斷裂故障。針對該類型故障，可通過皮帶運動方向檢測法、速度檢測法、張力檢測法、垂懸度檢測法及磁場變化法等進行檢測。本研究系統(tǒng)中，通過速度檢測法和張力檢測法相結(jié)合的方式來進行故障識別，當(dāng)皮帶發(fā)生斷帶故障時，斷帶處兩側(cè)的帶速將不再相等且張力會減小，若發(fā)生上述現(xiàn)象，則可斷定皮帶發(fā)生斷帶故障。

8）減速器故障。通過采用速度振動傳感器可以測量減速器的振動劇烈程度，若超過設(shè)定的閥值時，則可以判斷減速器已經(jīng)發(fā)生故障[3-4]。

3 皮帶機運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測結(jié)構(gòu)及原理

皮帶機運行監(jiān)測結(jié)構(gòu)如圖1所示，本案攝像機安裝在皮帶機頭和機尾，通過交換機將采集的圖像傳遞給監(jiān)控室，溫度傳感器及堆煤開關(guān)等通過智能儀表傳遞到可編程控制器，電子皮帶秤通過傳輸端口進入可編程控制器，轉(zhuǎn)速傳感器及斷帶抓捕裝置經(jīng)由輸入模塊將所采集到的信號傳輸?shù)娇删幊炭刂破?，可編程控制器將所有傳輸進來的信號再經(jīng)交換機處理后進入監(jiān)控電腦。監(jiān)控電腦將實時顯示皮帶運行狀態(tài)，若皮帶發(fā)生故障將顯示出故障發(fā)生部位及原因，并及時報警，同時監(jiān)控電腦可將皮帶機的歷史運行趨勢曲線自動生成報表數(shù)據(jù)并保存。

圖1 皮帶機運行監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)平臺設(shè)計

3.2.1 各類傳感器的型號選擇及合理布置

根據(jù)皮帶機具體情況及所需監(jiān)測參數(shù)，選擇合適的傳感器并合理進行布置，這樣可以提高監(jiān)測系統(tǒng)運行的可靠性及穩(wěn)定性，以取得良好的監(jiān)測效果。

1）轉(zhuǎn)速傳感器及帶速傳感器的選型與布置。通過布置轉(zhuǎn)速傳感器和帶速傳感器可以對輸送機斷帶、打滑等故障進行判斷，同時輔以溫度及張力傳感器等可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性。這兩種傳感器應(yīng)選擇經(jīng)過煤安認(rèn)證的本質(zhì)安全型傳感器，在驅(qū)動滾筒和改向滾筒軸上安裝轉(zhuǎn)速傳感器，以測得兩滾筒的線速度。帶速傳感器安裝在皮帶下方的皮帶機架上，且速度傳感器測速輪的軸線與皮帶的運行方向應(yīng)保持垂直，并相接觸，同時應(yīng)施加一定的預(yù)緊力，以防止二者間出現(xiàn)滑動摩擦。理論上帶速傳感器布置越多，越容易判斷斷帶位置，綜合考慮經(jīng)濟及技術(shù)要求，在易發(fā)生斷帶位置布置帶速傳感器即可。

2）縱向撕裂開關(guān)的選型與布置。縱向撕裂開關(guān)選用磁感應(yīng)方式的KPJ1A型開關(guān)，該種開關(guān)在煤礦井下有煤塵與瓦斯的環(huán)境中有很好的適應(yīng)性，縱向撕裂開關(guān)通常安裝在落料口附近的皮帶機架上。

3）跑偏開關(guān)的選型與布置。跑偏開關(guān)選擇KGE9A型開關(guān)，在皮帶機頭、機尾及機身一定距離安裝跑偏開關(guān)，充分考慮擺桿的動作范圍，保證跑偏開關(guān)的動作靈活及運行正常。

4）煙霧開關(guān)的選型與布置。煙霧開關(guān)選擇KGV1型開關(guān)，在有瓦斯與煤塵爆炸危險及易發(fā)火災(zāi)場所能夠靈敏反應(yīng)，該開關(guān)具有檢測電路靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、功率消耗小及維修簡單等特點，不論是火災(zāi)發(fā)生初期的不可見煙霧或者火災(zāi)發(fā)生后的可見煙霧，均能夠穩(wěn)定檢測，能夠避免因粉塵引起的誤報，通常將煙霧開關(guān)安裝在皮帶下風(fēng)口5～50 m 內(nèi)[5]。

5）堆煤開關(guān)的選型與布置。堆煤開關(guān)選擇KGU3B型，將堆煤開關(guān)懸掛于落料口需要檢測的物料點上方，根據(jù)檢測需求選擇適宜長度的金屬桿并將其吊掛于電極上，同時外殼通過導(dǎo)線接地即可。

6）振動傳感器的選型與布置。本系統(tǒng)選用的振動傳感器采樣頻率可達到最高頻率的10倍，將其安裝在減速器外殼上以獲得減速器的振動信號，以得知驅(qū)動滾筒的運轉(zhuǎn)情況。

7）溫度及張力傳感器的選型與布置。選用PT100型溫度傳感器，沿皮帶軸向每隔一定距離布置一個溫度傳感器，在火災(zāi)易發(fā)區(qū)域可以適當(dāng)增加，在驅(qū)動滾筒及電機上也應(yīng)安裝溫度傳感器，以協(xié)助皮帶打滑故障的判斷。在拉緊裝置與皮帶間安裝拉力傳感器，來進行皮帶張力的測量，以協(xié)助斷帶故障的測量。

8）急停開關(guān)的選型與布置。在皮帶機傳輸方向每隔一定距離安裝一個KPG3急停開關(guān)，在人工巡檢發(fā)現(xiàn)皮帶故障時，可以及時關(guān)停皮帶。

3.2.2 信號采集

皮帶機控制柜距離皮帶機及各傳感器距離較遠(yuǎn)，因此通過智能儀表將各傳感器采集的信號打包并以總線的方式傳輸給可編程控制器。采用總線技術(shù)可以大量減少電纜及端子鋪設(shè)量，減小環(huán)境對信號的干擾，安裝及調(diào)試工程量小，故障率低，便于日常維護。最終建立的硬件平臺如下頁圖2所示，各種傳感器與監(jiān)控柜端口相連接，而監(jiān)控柜通過網(wǎng)線或光纖與地面監(jiān)控主機相連接，從而對皮帶機運行過程進行全程監(jiān)測。

4 結(jié)語

通過對皮帶常見故障類型及識別方法研究，合理選擇傳感器及保護開關(guān)型號并安裝，最終建立運行監(jiān)測系統(tǒng)，完善了皮帶機控制理論及實踐，然而井下環(huán)境復(fù)雜多變，相應(yīng)設(shè)備元件精度及可靠度還有待提高，因此還需進行不斷深入研究與實踐。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺構(gòu)成