煤炭港口帶式輸送機(jī)防撕裂技術(shù)分析

任 玄

神華黃驊港務(wù)公司 滄州 061113

0 引言

輸煤帶式帶式輸送機(jī)是港口的主要設(shè)備之一，據(jù)2020 年10 月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：某港口地面帶式輸送機(jī)共116 條，總長(zhǎng)度約146 720.3 m，單機(jī)帶式輸送機(jī)共41 條，總長(zhǎng)度約4 541 m。承擔(dān)著煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)的重要任務(wù)，包括從翻車機(jī)卸車到煤炭堆場(chǎng)，再由煤炭堆場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)的裝船機(jī)進(jìn)行裝船，因流程的每條輸送帶是串聯(lián)運(yùn)行，只要流程中的任何一條帶式輸送機(jī)出現(xiàn)故障，都會(huì)造成整個(gè)流程的停機(jī)，制約著生產(chǎn)。導(dǎo)致流程停機(jī)的故障包括：輸送帶跑偏、輸送帶打滑、輸送帶重載、漏斗溜槽堵塞以及輸送帶撕裂，而撕裂故障是最常見(jiàn)且最嚴(yán)重的故障之一，占所有故障總數(shù)的40%～50%，造成停機(jī)且損傷帶式輸送機(jī)面，需要停機(jī)維修。

帶式輸送機(jī)的可靠運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)港口的經(jīng)濟(jì)效益，在輸煤系統(tǒng)設(shè)備中，輸送帶自身安全是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，輸送帶成本約占整個(gè)設(shè)備45%以上，輸送帶受損程度最小是整個(gè)煤炭港口正常運(yùn)行的重中之重。為降低輸送帶撕裂造成的損失，在BF 輸送帶的頭部滾筒上方安裝電磁式除鐵器，用以吸出夾雜在物料中的鐵類雜質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中，某些特殊情況下如出現(xiàn)較大煤頭，很難完全除去煤炭中的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)往往會(huì)卡在特定的部位（嚴(yán)重時(shí)卡在溜槽落料點(diǎn)附近），輕則造成輸送帶撕邊、鋼絲繩斷裂，重則造成輸送帶橫向斷裂，甚至長(zhǎng)距離縱向撕裂[1,2]。為此，需根據(jù)撕裂原因采取相應(yīng)保護(hù)，以最大限度地減少損失。

在輸送帶安裝撕裂檢測(cè)裝置以最大限度地減少損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，某港口目前在用帶式輸送機(jī)撕裂檢測(cè)開(kāi)關(guān)有2 000 處左右，包括多合一式撕裂檢測(cè)開(kāi)關(guān)、松島撕裂開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)、桿式撕裂開(kāi)關(guān)、拉繩式撕裂檢測(cè)開(kāi)關(guān)、稱重式撕裂開(kāi)關(guān)等多種形式。安裝位置分布在帶式輸送機(jī)尾部、導(dǎo)料槽出口、煤檢、帶式輸送機(jī)頭部等處，由于情況復(fù)雜，沒(méi)有哪一種檢測(cè)裝置可以全部有效地對(duì)輸送帶進(jìn)行保護(hù)，也無(wú)法完成對(duì)帶式輸送機(jī)撕裂故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有一定的滯后性和誤動(dòng)作現(xiàn)象。

1 輸送帶撕裂的原因和形式

無(wú)論是散料港口還是電廠等行業(yè)，在帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中多需要不同流程轉(zhuǎn)接切換，大部分都是采用漏斗溜槽形式。相繼的2 條輸送帶交接處有一垂直落差，后繼帶式輸送機(jī)的起始端承受著前續(xù)帶式輸送機(jī)終端下落煤流的強(qiáng)大沖擊重力，如煤炭中混入的鐵器、石塊、木塊等雜物時(shí)，對(duì)輸送帶的沖擊破壞會(huì)更嚴(yán)重。一旦發(fā)生撕裂事故，將會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)甚至迫使整個(gè)流程停產(chǎn)。為深入研究不同撕裂檢測(cè)裝置的工作機(jī)理，需對(duì)輸送帶產(chǎn)生撕裂的形式和原因進(jìn)行分析，以明確其工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 帶式輸送機(jī)的轉(zhuǎn)接形式

港口分布著大量的長(zhǎng)輸送帶線，主要用于煤炭的卸車和裝船，其中每條帶式輸送機(jī)主要包含驅(qū)動(dòng)站系統(tǒng)（動(dòng)力裝置）、驅(qū)動(dòng)滾筒、改向滾筒、輸送托輥、輸送帶、緩沖托輥、導(dǎo)料槽等。保護(hù)裝置包括打滑開(kāi)關(guān)、跑偏開(kāi)關(guān)、拉繩開(kāi)關(guān)、撕裂檢測(cè)開(kāi)關(guān)及環(huán)保和報(bào)警設(shè)施等，2 條輸送帶中間的轉(zhuǎn)接處一般建設(shè)轉(zhuǎn)接機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)部設(shè)轉(zhuǎn)接漏斗（見(jiàn)圖1），起著不同流程對(duì)接的功能，主要包括頭罩、漏斗、給料匙等，為保證初步除去雜質(zhì)金屬的需要，所有對(duì)應(yīng)BF 線的漏斗上方都設(shè)有超導(dǎo)除鐵器。漏斗內(nèi)部是帶有耐磨襯板的溜槽，同時(shí)為保證落料點(diǎn)的對(duì)中性，還需通過(guò)改變調(diào)料擋板位置來(lái)實(shí)現(xiàn)向下游不同帶式輸送機(jī)的物料轉(zhuǎn)運(yùn)。從漏斗的整體結(jié)構(gòu)可以看出，其在垂直距離上需滿足上下級(jí)輸送帶的高度差在10 m 左右，一旦有金屬雜質(zhì)通過(guò)漏斗落下，在高帶速和重力的作用下極易造成下級(jí)輸送帶的劃傷，也是撕裂最常見(jiàn)、最難控制和及時(shí)檢測(cè)的一環(huán)。

圖1 帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)接漏斗結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 造成輸送帶撕裂的原因分析

實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生輸送帶撕裂的因素較多，其核心原因是煤炭中交雜的大量雜質(zhì)，如大煤塊、槽鋼、撬棍、襯板、長(zhǎng)鐵釘及條狀異物等，當(dāng)除鐵器無(wú)法吸出的異物輸送到下級(jí)輸送帶時(shí)，便會(huì)有損傷皮帶的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.1 輸送帶跑偏撕裂

輸送帶運(yùn)行過(guò)程中，由于滾筒竄軸、落料點(diǎn)不正、托輥分布不平衡等原因，造成輸送帶在高速運(yùn)行中向單側(cè)產(chǎn)生跑偏，如不及時(shí)糾偏，會(huì)在跑偏側(cè)形成折疊或堆積，造成不均衡拉力、托輥架鋼結(jié)構(gòu)刮傷、輸送帶撕裂等。達(dá)到撕裂程度需要一定過(guò)程，在各條輸送帶兩側(cè)都布置兩級(jí)跑偏檢測(cè)開(kāi)關(guān)，輕跑偏報(bào)警時(shí)及時(shí)調(diào)整，重跑偏時(shí)連鎖停機(jī)進(jìn)行檢修，即能杜絕類似撕裂現(xiàn)象。

1.2.2 鋼繩芯輸送帶抽芯撕裂

根據(jù)某港口生產(chǎn)的不同用途，翻堆線、取裝線所用輸送帶類型主要為鋼絲繩芯輸送帶，輸送帶長(zhǎng)度較長(zhǎng)，最大可達(dá)到2 800 m，平均長(zhǎng)度在1 260 m 左右，轉(zhuǎn)接過(guò)程中受煤炭沖擊較大，撕裂風(fēng)險(xiǎn)高，維修時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)影響較大。而單機(jī)設(shè)備如取料機(jī)、裝船機(jī)、堆料機(jī)的懸臂帶式輸送機(jī)主要采用聚酯輸送帶，煤炭沖擊力較小，輸送帶長(zhǎng)度為90 ～120 m，撕裂風(fēng)險(xiǎn)較小，更換用時(shí)短。故本文重點(diǎn)分析鋼繩芯輸送帶撕裂的情形。

鋼繩芯輸送帶在劇烈沖擊力和張力作用下，易造成輸送帶中的鋼絲繩斷裂，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期磨、折、拉等力的作用，斷裂的鋼絲繩頭從輸送帶接頭處、粘結(jié)層處或磨損嚴(yán)重處伸出膠皮層。當(dāng)露出的鋼絲繩達(dá)到一定長(zhǎng)度，就可能絞入滾筒、托輥等處，隨輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)，鋼絲繩從皮帶蓋膠中抽出，造成撕傷。防止這種撕裂一般是加強(qiáng)巡視力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理輸送帶漏洞和外露鋼絲繩頭。

1.2.3 異物卡壓撕裂

從漏斗入口進(jìn)入的物料通過(guò)溜槽進(jìn)入導(dǎo)料槽，此種撕裂常發(fā)生在漏斗溜槽的物料出口及漏斗和導(dǎo)料槽結(jié)合部位。由于伸入導(dǎo)料槽口部分為豎直形狀設(shè)計(jì)，當(dāng)槽鋼、撬棍及條狀異物等進(jìn)入溜槽后，其在重力作用下垂直向下插入下方輸送帶。輸送帶下方均為密集分布的緩沖托輥，當(dāng)異物劃傷輸送帶卡到托輥之間時(shí)，將會(huì)對(duì)輸送帶造成嚴(yán)重的劃傷。由于漏斗前下沿和輸送帶面之間距離較小，且出口大小有限，當(dāng)通過(guò)漏斗出口的異物縱向尺寸大于其通過(guò)能力時(shí)，異物就會(huì)卡在溜槽下部，通過(guò)輸送帶的向前運(yùn)動(dòng)增壓，從而劃傷輸送帶。

2 傳統(tǒng)輸送帶撕裂檢測(cè)技術(shù)分析

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)撕裂，在每條輸送帶線上布置了多組不同檢測(cè)原理的撕裂檢測(cè)裝置，包括漏煤稱重檢測(cè)式、鋼絲攔索式、尼龍輥型回程落煤式、尾部滾筒橫桿式防撕裂檢測(cè)裝置，或多種方式的綜合體。但每種方式都有其不足，如易產(chǎn)生誤報(bào)警、數(shù)量多、檢測(cè)滯后等。

2.1 漏煤稱重式撕裂檢測(cè)技術(shù)

此種裝置主要由斜板、接煤斗、翻板、接近開(kāi)關(guān)和固定支架、配重單元等組成，安裝在漏斗落料點(diǎn)或?qū)Я喜鄢隹谳斆狠斔蛶У恼路剑?dāng)輸送帶發(fā)生穿透式撕裂且出現(xiàn)較長(zhǎng)裂縫時(shí)，會(huì)有煤炭落下，匯聚到裝置的接煤斗。當(dāng)接煤斗里的煤質(zhì)量大于擋板配重時(shí)，翻板會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作，信號(hào)傳入中控PLC 給出報(bào)警并連鎖帶式輸送機(jī)急停。此檢測(cè)方式難以合理調(diào)整裝置配重，配重過(guò)重、撕裂較小灑落煤較少時(shí)，翻板不易動(dòng)作，導(dǎo)致撕裂檢測(cè)不靈敏；如果配重較輕，當(dāng)接煤漏斗里產(chǎn)生積煤或煤塊濺落、帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)等原因，該裝置會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作停機(jī)，影響生產(chǎn)效率。

2.2 尼龍輥型回程落煤撕裂檢測(cè)技術(shù)

為降低漏煤稱重式裝置的誤報(bào)警問(wèn)題，研究了一種尼龍輥型回程落煤檢測(cè)裝置，把多組該裝置均勻安裝在回程輸送帶上方(尼龍輥距回程輸送帶有4 ～5 cm 距離)。當(dāng)撕裂后落煤流量較小時(shí)，因尼龍輥與輸送帶間距較小，落煤將與尼龍輥產(chǎn)生摩擦，不斷帶動(dòng)尼龍輥旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)產(chǎn)生脈沖，在通過(guò)PLC 判斷落煤情況，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警停機(jī)信號(hào)。相對(duì)于常見(jiàn)的漏煤稱重式檢測(cè)裝置，尼龍輥型落煤檢測(cè)裝置避免了因煤塵積累、正常作業(yè)時(shí)偶爾濺落的煤塊以及輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的誤動(dòng)作，但卻無(wú)法避免硫化補(bǔ)修后輸送帶薄厚不均、輸送帶沾煤以及回程輸送帶上下抖動(dòng)帶來(lái)的干擾問(wèn)題。

2.3 尾部滾筒橫桿式防撕裂技術(shù)

尾滾筒橫桿式檢測(cè)裝置主要由剛性橫桿和可調(diào)支撐座、接近開(kāi)關(guān)等組成，如圖2 所示。剛性橫桿與滾筒徑向平行放置，兩端支撐裝置為碰撞掉落式，橫桿距離輸送帶約2 cm。當(dāng)回程輸送帶面上有較大雜物或因輸送帶撕裂而產(chǎn)生積煤時(shí)，尾部滾筒直徑會(huì)瞬間增大，從而碰落橫桿，安裝在橫桿端部的檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到橫桿跌落，發(fā)出停機(jī)信號(hào)，避免出現(xiàn)更大范圍的輸送帶損傷。此外，當(dāng)輸送帶發(fā)生抽條、撕邊時(shí)，轉(zhuǎn)至尾滾筒處，通常撕裂位置的橡膠會(huì)向外伸出，形成毛刺狀突出，撞擊到橫桿，亦可使其發(fā)生脫落，產(chǎn)生報(bào)警。由于此類撕裂檢測(cè)裝置多位于輸送帶尾部，檢測(cè)報(bào)警有很大的滯后性。當(dāng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到輸送帶撕裂時(shí)，輸送帶已經(jīng)出現(xiàn)大面積劃傷，無(wú)法起到降低損失的作用，僅起到事故報(bào)警的作用。

圖2 尾滾筒橫桿式檢測(cè)裝置示意圖

3 一種新型輸送帶撕裂檢測(cè)技術(shù)

以上幾種方式都很難杜絕誤檢測(cè)、檢測(cè)滯后的問(wèn)題，當(dāng)輸送帶撕裂后出現(xiàn)帶面重疊現(xiàn)象時(shí)，不會(huì)有撒落煤，則以上檢測(cè)手段均存在局限性。隨著人工智能以及視頻分析技術(shù)的應(yīng)用推廣，文中在智能視頻的基礎(chǔ)上研究了一種基于機(jī)器視覺(jué)輸送帶撕裂檢測(cè)技術(shù)。

3.1 裝置組成和安裝方式

基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)的輸送帶撕裂檢測(cè)裝置如圖3 所示，主要包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理2 個(gè)部分，其中數(shù)據(jù)采集包括圖像采集設(shè)備和結(jié)構(gòu)光線性激光設(shè)備。數(shù)據(jù)處理由上位機(jī)服務(wù)器完成，處理的信號(hào)一部分作為系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，生成輸送帶全生命周期狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一部分轉(zhuǎn)換成報(bào)警信號(hào)發(fā)送給中控PLC控制器進(jìn)行報(bào)警。為了能在第一時(shí)間檢測(cè)到卡壓撕裂、穿透撕裂以及撕裂后重疊現(xiàn)象，該設(shè)備選擇安裝在轉(zhuǎn)接漏斗的出料口附近。其中，光源設(shè)備和信號(hào)采集設(shè)備分別安裝在一組對(duì)稱托輥的根部，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)出和接收。

圖3 撕裂檢測(cè)裝置示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)效果

裝置中的光源設(shè)備為結(jié)構(gòu)光線性激光設(shè)備，其將一字形線性激光條紋投射到輸送帶表面上，激光條紋受到輸送帶表面的深度變化發(fā)生調(diào)制，反映到圖像中則是激光條紋發(fā)生了畸變。輸送帶完好無(wú)撕裂情況下，檢測(cè)圖像中輸送帶底面激光條紋平滑、無(wú)局部跳躍、無(wú)斷點(diǎn)、激光線條長(zhǎng)度穩(wěn)定；當(dāng)輸送帶發(fā)生撕裂事故時(shí)，線激光條紋會(huì)受到撕裂位置的調(diào)制而出現(xiàn)跳躍、斷點(diǎn)、激光線條缺失等現(xiàn)象，如圖4 所示。通過(guò)對(duì)檢測(cè)圖像中激光線條特征的提取和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶撕裂事故的檢測(cè)。

圖4 兩種常見(jiàn)輸送帶撕裂檢測(cè)效果

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)煤炭港口帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了幾種常見(jiàn)輸送帶撕裂產(chǎn)生的原因和表現(xiàn)形式，重點(diǎn)探討了傳統(tǒng)輸送帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的防撕裂技術(shù)主要針對(duì)輸送帶撕裂后產(chǎn)生的后果進(jìn)行檢測(cè)分析，存在檢測(cè)靈敏度難以把控和時(shí)間滯后的弊端。為此，提出了一種基于基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)手段，具有實(shí)時(shí)性好、便于人員數(shù)據(jù)分析、檢測(cè)靈敏、信息化程度高等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的推廣價(jià)值。