皮帶運(yùn)輸機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

桑宏琪

（西山煤電官地礦運(yùn)輸區(qū)， 山西 太原 030022）

引言

煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的重要運(yùn)輸設(shè)備，對(duì)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效益起著至關(guān)重要的作用。在生產(chǎn)過(guò)程中，皮帶運(yùn)輸機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)打滑、斷帶、聯(lián)軸器斷裂等故障，不僅影響生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)還能引起生產(chǎn)事故，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益甚至社會(huì)形象造成嚴(yán)重影響。某礦皮帶運(yùn)輸機(jī)的故障檢測(cè)方法采用的是檢測(cè)皮帶靠輪速度法的間接測(cè)量法，但這種方法存在明顯的缺點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載或打滑時(shí)，靠輪速度都會(huì)降低而無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分故障類型，通常無(wú)法獲取準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)?；诖?，本文設(shè)計(jì)一種能夠更加準(zhǔn)確檢測(cè)皮帶運(yùn)輸機(jī)的故障類型及運(yùn)行狀態(tài)的故障檢測(cè)系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)的基本工作原理是對(duì)電機(jī)磁電的轉(zhuǎn)換進(jìn)行檢測(cè)，即把電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電信號(hào)與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中電信號(hào)之間的相位差（電信號(hào)相位差的變化隨著電機(jī)轉(zhuǎn)矩的增大而增大）。皮帶運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)彈性軸兩端分別安裝有一個(gè)齒輪，齒輪的上方安裝有纏繞著信號(hào)圈的磁鋼用來(lái)檢測(cè)信號(hào)。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，信號(hào)圈中會(huì)產(chǎn)生兩種感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)外加轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不變的相位差，這個(gè)相位差的大小僅僅與電機(jī)軸上齒輪的安裝位置相關(guān)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，電機(jī)的彈性軸就會(huì)發(fā)生一定的扭曲，在一定范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的扭角大小與外加的轉(zhuǎn)矩有關(guān)，扭角隨著轉(zhuǎn)矩的增大而增大。扭角的變化又引起兩個(gè)電勢(shì)的相位差跟著改變，相位差的變化量與扭角的大小呈正相關(guān)。

2 系統(tǒng)功能

打滑、斷帶、劃傷、過(guò)載、聯(lián)軸器斷裂等是皮帶運(yùn)輸機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的故障。通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)的故障檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)化的電信號(hào)設(shè)定閾值，當(dāng)超出所設(shè)定的閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。皮帶運(yùn)輸機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，外接的電信號(hào)觸點(diǎn)處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)的報(bào)警指示燈不亮，報(bào)警器也處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警指示燈亮起并且報(bào)警器也將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。經(jīng)維修人員維修后，皮帶運(yùn)輸機(jī)重新恢復(fù)到正常狀態(tài)，報(bào)警指示燈和報(bào)警器也恢復(fù)到正常狀態(tài)。故障報(bào)警控制系統(tǒng)共有四個(gè)報(bào)警控制單元，分別為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降至正常狀態(tài)的30%和下降至正常狀態(tài)的50%以及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩上升至正常狀態(tài)的150%和上升至正常狀態(tài)的170%。信號(hào)相位的測(cè)量通過(guò)將一組高脈沖內(nèi)插至所需測(cè)量的信號(hào)，然后對(duì)高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)從而計(jì)算出相位差。信號(hào)在輸出過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元進(jìn)行整形放大、AD轉(zhuǎn)換后輸入到報(bào)警單元，報(bào)警單元接收到信號(hào)后與系統(tǒng)所設(shè)定的閾值進(jìn)行比較并將對(duì)比結(jié)果進(jìn)行反饋[2]。

2.1 皮帶打滑故障報(bào)警

發(fā)生皮帶打滑故障的原因是由于皮帶與滾筒之間的張力超出皮帶兩端張力的極限，此時(shí)的皮帶運(yùn)輸機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)有所下降，如下頁(yè)圖1所示。當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)輸出功率下降至正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的50%時(shí)，輸出的信號(hào)經(jīng)整形放大輸入至報(bào)警系統(tǒng)的控制單元，報(bào)警指示燈亮起并且報(bào)警器也將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以提醒相關(guān)作業(yè)人員進(jìn)行維修。如果維修效果不能滿足要求，則皮帶運(yùn)輸機(jī)的轉(zhuǎn)矩可能會(huì)持續(xù)下降，當(dāng)下降至正常水平的30%時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出緊急報(bào)警信號(hào)，皮帶運(yùn)輸機(jī)必須立即停止運(yùn)行，直到維修完成方可重新開(kāi)啟。

2.2 皮帶撕裂故障報(bào)警

皮帶撕裂主要是由于皮帶所承受的負(fù)荷超出承受范圍，托滾的正壓力變大引起皮帶摩擦阻力增加。此時(shí)皮帶所產(chǎn)生的牽引力將小于皮帶與礦石之間的摩擦阻力，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩增加，如下頁(yè)圖2所示。當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)輸出功率上升至正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的130%時(shí)，輸出的信號(hào)經(jīng)整形放大輸入至報(bào)警系統(tǒng)的控制單元，報(bào)警指示燈亮起并且報(bào)警器也將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)皮帶運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)輸出功率上升至正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的150%時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出緊急報(bào)警信號(hào)，故障檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)關(guān)閉電源，停止給料。

圖1 皮帶打滑時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖2 皮帶過(guò)載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線

2.3 其他故障報(bào)警

皮帶運(yùn)輸機(jī)的皮帶強(qiáng)度不能滿足正常生產(chǎn)運(yùn)輸要求時(shí)，皮帶就可能會(huì)發(fā)生斷裂或皮帶運(yùn)輸機(jī)的聯(lián)軸器斷裂。當(dāng)發(fā)生這些情況時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就會(huì)迅速下降。如圖3、圖4所示。轉(zhuǎn)化出的電信號(hào)輸出至控制單元，報(bào)警指示燈亮起并且報(bào)警器也將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，故障檢測(cè)系統(tǒng)也會(huì)控制斷開(kāi)電源，停止給礦[3]。

圖3 皮帶打滑時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖4 皮帶聯(lián)軸器斷裂時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線

3 系統(tǒng)抗干擾措施

檢測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，很容易受到外界電流、電壓等產(chǎn)生的干擾，以至于經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)不全，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)等現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)控精度下降。即使目前已經(jīng)采取了多種抗干擾措施（電源接地、電路板合理布線和數(shù)字濾波等），但在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中扔會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真的現(xiàn)象。因此在本系統(tǒng)中提出了I/O通道的硬件抗干擾措施和數(shù)字濾波的軟件抗干擾措施。

信號(hào)傳輸過(guò)程中的主要干擾因素是通道中的長(zhǎng)線傳輸（計(jì)算機(jī)主振頻率為1 MHz時(shí)，傳輸大于0.5 m即作為長(zhǎng)線傳輸處理），為保證長(zhǎng)線傳輸?shù)目煽啃裕饕捎霉怆婑詈细綦x，抗阻匹配的措施。采用光電耦合器斷開(kāi)主機(jī)與I/O通道及其他主機(jī)的電源，防止外界干擾從信號(hào)傳輸通道中進(jìn)入主機(jī)，有效抑制尖峰脈沖，提高信號(hào)傳輸通道中的信噪比。將強(qiáng)點(diǎn)信號(hào)與弱點(diǎn)信號(hào)、高頻與低頻信號(hào)、交流與直流、電源線與信號(hào)線分開(kāi)以阻止線間串?dāng)_。

抗干擾措施中，對(duì)軟件采取抗干擾措施是一種簡(jiǎn)單有效的方法，采用數(shù)字濾波保護(hù)系統(tǒng)接收、處理信息，且數(shù)字濾波可以通過(guò)添加分析軟件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需增加硬件設(shè)備，僅通過(guò)改變軟件運(yùn)行程序就可對(duì)多種頻率信號(hào)進(jìn)行濾波操作，簡(jiǎn)單方便，可靠性高。在該檢測(cè)系統(tǒng)中，在原有的抗干擾措施中新增I/O通道抗干擾措施和數(shù)字濾波軟件抗干擾措施，以提升硬、軟件的抗干擾能力，保證長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某礦在皮帶運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)彈性軸兩端分別安裝有一個(gè)纏繞著信號(hào)圈的磁鋼齒輪，并在主機(jī)的傳輸過(guò)程中采用光電耦合隔離，抗阻匹配的措施。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)與某礦原有的故障檢測(cè)系統(tǒng)相比，可靠性有明顯的提升，操作人員可以通過(guò)監(jiān)控室的電腦準(zhǔn)確獲取皮帶運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)輸現(xiàn)狀，返回的數(shù)據(jù)更加真實(shí)，應(yīng)用期間皮帶運(yùn)輸機(jī)共發(fā)生5次故障且檢測(cè)系統(tǒng)全部檢測(cè)出。實(shí)際應(yīng)用表明，采用轉(zhuǎn)矩傳感器對(duì)故障進(jìn)行間接監(jiān)測(cè)的測(cè)量轉(zhuǎn)矩方法效果比傳統(tǒng)測(cè)量方法更加可靠、高效。此方法在其他的檢測(cè)上具有通用性和可借鑒性。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)主要是基于煤礦井下正常生產(chǎn)過(guò)程中皮帶運(yùn)輸機(jī)經(jīng)常發(fā)生的一些打滑、斷帶、過(guò)載和聯(lián)軸器斷裂等故障所設(shè)計(jì)的，是根據(jù)這些常見(jiàn)故障與電機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的聯(lián)系研發(fā)的全新的故障檢測(cè)系統(tǒng)，在原有抗干擾措施的基礎(chǔ)上新增I/O通道的硬件抗干擾措施和數(shù)字濾波的軟件抗干擾措施。該系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，比以前的檢測(cè)系統(tǒng)反應(yīng)更加迅速，可靠性更高，不僅可以減少勞動(dòng)力成本，提升煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率，還可以有效防止事故的發(fā)生。