膠帶輸送機自動巡視設(shè)備設(shè)計研究與可行性分析

孟祥龍

(國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司石圪臺煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

膠帶運輸機(簡稱膠帶機)在巷道中安裝，根據(jù)需求有幾十米至幾千米不同的安裝長度，膠帶機的沿線目前多采用人工巡視，耗時耗力，且無法及時發(fā)現(xiàn)沿線膠帶機的運行狀態(tài)，而經(jīng)常出現(xiàn)的膠帶機帶面跑偏、縱向撕帶、機架磨損、托輥損壞等情況，往往只能在人工巡視時被發(fā)現(xiàn)，再進行檢修處理。目前多采用檢修前的巡視或生產(chǎn)運轉(zhuǎn)期間的人工巡視。為了解決膠帶機人工巡視耗時久、周期長、時效性差等問題，部分廠商以研制巷道巡視機器人的方式代替人工巡視，巡視機器人以蓄電池等設(shè)備自行走機器人為主，目前只能減輕人工巡視的勞動負荷，因此迫切地需要一種短時耗、高效率、低能耗、低成本、高效益的巡視設(shè)備。

1 設(shè)計方案

利用皮帶機巷道目前已具備的供電條件、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施、頂板支護狀態(tài)等，在巷道頂板上分段安裝長度相同的軌道，配備直流電機牽引機構(gòu)的巡視設(shè)備，以50～100 m為最佳狀態(tài)，在保證監(jiān)測及時性和可靠性的基礎(chǔ)上，可將速度設(shè)定在0.1～0.5 m/s，實現(xiàn)單臺巡視設(shè)備對50～100 m范圍內(nèi)的膠帶機在100～1 000 s內(nèi)完成巡視，速度過快影響巡視效果，速度過慢會使巡視的周期過長，影響巡視的及時性。巡視設(shè)備在軌道上做往復(fù)運動，并記錄膠帶機的運行狀態(tài)通過通信系統(tǒng)上傳至服務(wù)器，當(dāng)膠帶機運行過程中出現(xiàn)故障時，提供及時的聲光報警，并通過通信系統(tǒng)給予機頭操作人員報警提醒，同時通過通信網(wǎng)絡(luò)將報警信號傳送至集中控制室。如圖1所示。

圖1 膠帶機自動巡視設(shè)備組成、安裝示意Fig.1 Composition and installation of automatic inspection equipment for belt conveyor

1.1 總體規(guī)劃

安裝自動巡視設(shè)備：每50～100 m安裝一套自動巡視設(shè)備，慢速巡航以記錄膠帶機運行狀態(tài)，100～1 000 s時間完成一次巡視，200～2 000 s時間實現(xiàn)一次往復(fù)運動，返回至出發(fā)點，實現(xiàn)對50～100 m范圍內(nèi)膠帶機運行狀態(tài)的完全監(jiān)測監(jiān)控、報警功能，并趨近于實時監(jiān)測。

安裝滑道：將滑道安裝在膠帶機中心線上方的巷道頂板上，巷道頂板支護普遍采用錨桿、鐵質(zhì)網(wǎng)片，支護條件好，巷道頂板穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上使用短錨桿或其他簡單的固定材料即可完成滑道安裝。作為巡視設(shè)備的軌道，巡視設(shè)備可以在滑道上由鋼絲繩牽引做前后運動，不會左右運動，保證其運行的穩(wěn)定性，在滑道兩側(cè)各安裝1個小型牽引電機、鋼絲繩絞車和牽引鋼絲繩，通過2條鋼絲繩的相互收放牽引，實現(xiàn)巡視設(shè)備的往復(fù)運動。

由于在滑道的兩端各安裝了1個牽引電機，同一時間內(nèi)只能有1個牽引電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)巡視設(shè)備的運動。機械機構(gòu)上，可采用棘輪機構(gòu)；電氣控制上，可使用繼電器進行控制回路的互相切換。當(dāng)1臺電機轉(zhuǎn)動時，另一臺電機處于停電狀態(tài)，轉(zhuǎn)動的電機通過牽引鋼絲繩帶動巡視設(shè)備運行，另一端的鋼絲繩會隨之釋放，當(dāng)電機運動到端點后切斷電源，同時另一臺電機通電運轉(zhuǎn)，如此反復(fù)，即可實現(xiàn)巡視機構(gòu)的往復(fù)運動。

配備必要的服務(wù)器和存儲設(shè)備：可以存儲監(jiān)測到的溫度、聲音、影像、圖像等數(shù)據(jù)信息，為分析故障的原因和應(yīng)對方法提供參考資料，同時也可通過收集大量的數(shù)據(jù)，為膠帶機的運行狀態(tài)調(diào)整、優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，更為發(fā)現(xiàn)巡視設(shè)備存在的缺陷、不足，改良、改善巡視設(shè)備提供數(shù)據(jù)、影像參考。

1.2 具備的功能

結(jié)合目前傳感器類設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，為了進一步控制成本，該巡視設(shè)備采用市場上被廣泛使用的傳感器，可安裝有紅外熱量感應(yīng)傳感器、攝像設(shè)備，以監(jiān)測分貝或聲波波長為主的聲音監(jiān)測設(shè)備，一氧化碳傳感器，煙霧傳感器，聲波雷達類設(shè)備，照明設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及其他附屬配件等。

紅外熱量感應(yīng)傳感器：由于巷道內(nèi)的環(huán)境溫度基本能夠在膠帶機正常運轉(zhuǎn)時保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)膠帶機沿線發(fā)生火災(zāi)、帶面跑偏引起的磨皮帶架、帶面打滑等情況時，所對應(yīng)的位置溫度會發(fā)生變化，紅外熱量感應(yīng)傳感器會將探測到的高溫情況記錄下來，并預(yù)警。

攝像設(shè)備：①可以實時提供膠帶機運行的影像，便于遠程監(jiān)控。當(dāng)膠帶機出現(xiàn)異常狀態(tài)時，可提供自動拍照、錄像功能，形成影像資料。②由于巡視設(shè)備在軌道上前后運行時，左右位置相對穩(wěn)定，膠帶機正常運行時左右位置也處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可通過攝像設(shè)備設(shè)置正常報警線，當(dāng)膠帶機跑偏或發(fā)生縱向撕裂情況時，會通過相對位置的比較來判斷膠帶機運行異常，并發(fā)出監(jiān)測、報警,甚至停車信號。

聲音監(jiān)測設(shè)備：膠帶機正常運行，膠帶不跑偏、不灑煤、托輥不損壞時，聲音基本保持穩(wěn)定，當(dāng)發(fā)生跑偏、灑煤、托輥損壞等異常情況時，會發(fā)出不同的聲音，通過聲音監(jiān)測設(shè)備，設(shè)定膠帶機正常運行時的聲音分貝值，當(dāng)分貝值突然增加或發(fā)生變化時，提供監(jiān)測、報警信號。

一氧化碳傳感器和煙霧傳感器：在膠帶機著火、打滑等產(chǎn)生煙塵、一氧化碳等異常氣體時提供監(jiān)測、報警信號，提醒膠帶機有著火隱患。

聲波雷達類設(shè)備：利用雷達監(jiān)測膠帶機帶面的運行范圍，當(dāng)膠帶機出現(xiàn)跑偏、縱向撕裂時帶面寬度會發(fā)生變化，雷達可監(jiān)測到并發(fā)出報警信號。

照明設(shè)備：為了實現(xiàn)影像的清晰傳遞，巷道內(nèi)需要有足夠的照明，因此在巡視設(shè)備上安裝照明設(shè)備。

其他設(shè)備：為了防止頂板淋水的影響，將所有傳感探頭安裝在巡視設(shè)備底部，在巡視設(shè)備的頂端安裝防淋水護罩。安裝滑輪，與滑道密切配合，作為行走機構(gòu)。

2 電力供應(yīng)與通信保障

2.1 電力供應(yīng)

目前主要膠帶機運輸巷道內(nèi)已基本實現(xiàn)了全部的巷道照明，采用照明綜合信號保護開關(guān)輸出的交流127 V電力作為供應(yīng)，約30～50 m在巷道頂板上安裝有一盞礦用防爆型照明燈，照明燈之間使用礦用橡套絕緣電纜連接；而膠帶機沿線每500 m范圍內(nèi)會有一個集中配電點，可在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上安設(shè)交流127 V電源供電設(shè)備為巡視設(shè)備提供電力，為了保證電力供應(yīng)的安全可靠，在巡視設(shè)備軌道兩端安裝必要的電源適配裝置，目前市場上具有成熟技術(shù)的防爆認證和煤礦安全標(biāo)示的該類產(chǎn)品較為豐富，可將其通過變壓、整流后，輸出直流12 V、18 V、24 V、36 V等多種電壓等級的電源，使用礦用橡套電纜作為供電線路，50～100 m的供電距離，可將電壓維持在可靠的壓降范圍內(nèi)，既符合煤礦安全規(guī)程，又可以保證供電安全。

兩端的牽引電機另外使用低于36 V的直流電源線路供電，與巡視設(shè)備不發(fā)生干涉，以保證供電系統(tǒng)的可靠。如圖2所示。

圖2 設(shè)備組成及供電原理Fig.2 Equipment composition and power supply principle

2.2 通信保障

目前井下已經(jīng)基本實現(xiàn)了無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全覆蓋，井下使用WiFi、4G通信技術(shù)，在皮帶運輸巷和輔助運輸巷每50 m都安裝有網(wǎng)絡(luò)通信基站，巷道內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)信號良好，傳輸速度快，因此在巡視設(shè)備中可安裝無線網(wǎng)絡(luò)接收裝置，作為網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，將采集到的信息通過網(wǎng)絡(luò)信號基站進行傳輸，無需增加設(shè)備即可獲得可靠、充沛的通信保障。

3 使用與維護

膠帶機自動巡視系統(tǒng)由多套巡視設(shè)備共同組成，每臺設(shè)備按順序進行編號，安裝和使用可以在既簡單又便捷的方式下進行，均勻安裝分布在膠帶機的沿線，可以從張緊部一直安裝至皮帶機尾，基本實現(xiàn)對整條膠帶機的監(jiān)測、報警，同時可根據(jù)需要設(shè)置停機信號，與膠帶機的控制系統(tǒng)進行連接，在膠帶機出現(xiàn)故障時，發(fā)出信號使膠帶機停機。設(shè)備操作人員和巡視人員可以在查看影像和傳感器數(shù)據(jù)后，判斷出發(fā)生故障的位置，便于人員進一步準(zhǔn)確、快速前往故障點進行相應(yīng)處理。

在井下使用時需要兼顧煤塵、淋水等對設(shè)備的影響，由于有攝像設(shè)備和其他傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，單臺巡視設(shè)備如若出現(xiàn)故障，只需要檢修人員到對應(yīng)的設(shè)備位置檢修即可，大大提高對巡視設(shè)備故障判斷的準(zhǔn)確率和檢修效率。

由于巡視設(shè)備整體吊掛在頂板上，除需要進行簡單的潤滑和電氣設(shè)備的檢查、維護、保養(yǎng)外，相對于在底板上行走運行的巡視設(shè)備維護、保養(yǎng)量較小，也不會受到底板煤泥、皮帶上掉落煤塊的影響。

4 經(jīng)濟效益分析

該套設(shè)備組成的膠帶機巡視系統(tǒng)在運輸巷對膠帶機的巡視效率高、巡視周期短，能及時傳遞膠帶機的故障，預(yù)測預(yù)報準(zhǔn)確，在已有成熟的設(shè)備基礎(chǔ)上進行改進、研發(fā)、制造，需要購買的產(chǎn)品種類多，可選擇性高，需要自主加工制作的相對較少，具備低成本的特點。

使用后，及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警膠帶機存在的設(shè)備故障，帶面成本高，安裝費用高，膠帶機的運行速度多在4～5 m/s，發(fā)生跑偏、撕帶時，帶面極易發(fā)生長距離的損壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，加之膠帶機發(fā)生故障后，往往影響綜采工作面和連采工作面的回采和掘進生產(chǎn)，造成的產(chǎn)量和進尺影響均會對礦井的安全生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失。

該巡視設(shè)備可以極大地避免膠帶機故障的擴大，降低對正常生產(chǎn)的影響，又避免膠帶機的損失，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。而且此設(shè)備的使用可以為煤礦的自動化技術(shù)應(yīng)用研究提供更多思路，具有很寬廣的應(yīng)用前景。

5 遇到問題與應(yīng)對方案

按照此方案可以設(shè)計制造出符合實際又便于使用的巡視設(shè)備，但仍然會出現(xiàn)一些制造、使用、維護方面的問題，需要在設(shè)計制造時進行具體的問題分析解決。

軟件的開發(fā)與應(yīng)用。硬件系統(tǒng)由市場上的成熟產(chǎn)品即可實現(xiàn)，但要實現(xiàn)對膠帶機故障的監(jiān)測、報警、停車等功能，還需要從軟件的開發(fā)上研制可靠、穩(wěn)定的系統(tǒng)。另外，單套設(shè)備的數(shù)據(jù)集成分析，也需要通過軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)，在軟件開發(fā)上需要進行全新的研究。但目前很多網(wǎng)絡(luò)公司和軟件開發(fā)商研發(fā)該類軟件也具備成熟條件。

數(shù)據(jù)上傳的不穩(wěn)定性。由于設(shè)備處于實時的運轉(zhuǎn)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定時會影響數(shù)據(jù)的正常傳輸，還會造成一定的網(wǎng)絡(luò)延遲，對膠帶機故障的及時處置造成一定的影響。

單臺設(shè)備故障可能會影響其他設(shè)備的正常工作。為了解決這個問題，盡量采用數(shù)據(jù)上傳的方式，由總機進行數(shù)據(jù)分析和處理，當(dāng)膠帶機出現(xiàn)故障后，發(fā)出報警信號，也可由值班人員通過影像等進行觀察判斷，做出及時有效的處理。

6 結(jié)論

(1)設(shè)備造價低。目前的攝影、攝像器材成熟，設(shè)備購置價格較低，這些設(shè)備質(zhì)量好、穩(wěn)定性高等特點使得在硬件的開發(fā)制造上，成本不會太高，巡視設(shè)備的單臺造價預(yù)計在2萬元以內(nèi)，單套成套設(shè)備的造價預(yù)計在3萬元以內(nèi)，每1 000 m膠帶機覆蓋的設(shè)備造價預(yù)計在30萬元左右。而膠帶機發(fā)生撕帶事故后，帶面無法重復(fù)使用，每1 000 m帶面的損失在200萬元以上，若計算人工成本、生產(chǎn)影響，將遠遠超過巡視設(shè)備的造價。

(2)質(zhì)量小，安裝后，巡視設(shè)備的運行將得到充足保障。按照防爆設(shè)備的制造質(zhì)量，單臺巡視設(shè)備的尺寸預(yù)計為300 mm×300 mm×200 mm，質(zhì)量小于10 kg，對環(huán)境和滑道的影響較小，可實施性較高。

(3)實現(xiàn)膠帶機巡查無死角、全覆蓋，單套設(shè)備出現(xiàn)故障后，不會影響到其他設(shè)備的正常使用，其他巡視設(shè)備仍保持在正常狀態(tài)，影響范圍相對較小。

(4)該套方案結(jié)合井下各項實際條件，考慮諸多因素后，仍然保持在可行范圍內(nèi)，符合實際需求、具有實際效益，為膠帶機巡視設(shè)備的設(shè)計研究提供了一種思路。