輸送機(jī)在線斷帶預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉建忠

(華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

1 概 述

煤炭運(yùn)輸安全是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，大多煤礦都采用長(zhǎng)距離鋼絲繩芯輸送帶運(yùn)送煤炭。由于輸送帶運(yùn)行荷載量大、帶面磨損及老化等原因，會(huì)造成鋼絲繩芯銹蝕、斷裂、鋼絲繩芯與輸送帶的粘合力下降及接頭拉斷等故障。故障一旦發(fā)生，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓。而現(xiàn)有斷帶預(yù)警成果多注重研究輸送帶的靜態(tài)檢測(cè)，輸送帶表面磨損修復(fù)大多依靠目測(cè)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷輸送帶磨損程度與修復(fù)的必要性。當(dāng)前，對(duì)于煤炭輸送帶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)和輸送帶表面磨損自動(dòng)修復(fù)的研究尚無(wú)大量展開。因此，為了降低生產(chǎn)安全事故，提高煤礦生產(chǎn)效率，對(duì)帶式輸送機(jī)在線斷帶監(jiān)測(cè)及輸送帶表面磨損檢測(cè)系統(tǒng)的研究十分必要。

2 輸送帶在線斷帶檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

輸送帶在線斷帶檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由預(yù)埋在輸送帶內(nèi)的釤鈷磁釘、射頻線圈和檢測(cè)箱體組成。

(1)釤鈷磁釘直徑5 mm，厚度3 mm。磁極在圓面?zhèn)?，使用時(shí)在同名磁極做好記號(hào)。

(2)射頻線圈內(nèi)徑50 mm，外徑55 mm平繞。

(3)檢測(cè)箱體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)制作成長(zhǎng)1 600 mm，寬250 mm，高150 mm。接頭長(zhǎng)度檢測(cè)裝置包括霍爾傳感器、信號(hào)電路，接頭位置檢測(cè)裝置包括射頻接收器、信號(hào)電路，檢測(cè)系統(tǒng)板卡以及電源模塊均安裝在檢測(cè)箱體內(nèi)。

(4)應(yīng)用軟件包括位置模塊、速度模塊、長(zhǎng)度及判斷模塊、支撐軟件，均安裝在礦用防爆計(jì)算機(jī)上，礦用防爆計(jì)算機(jī)通過(guò)礦用防爆交換機(jī)與服務(wù)器相聯(lián)。

2.2 工作原理

2.2.1 射頻傳感器工作原理

射頻傳感器線圈埋于每個(gè)接頭前方的邊膠(輸送帶)內(nèi)，接收器置于輸送帶邊膠上方，接收射頻線圈信號(hào)。其作用為辨別接頭編號(hào)及其他預(yù)置信息(如接頭制作時(shí)間、維修保養(yǎng)時(shí)間、責(zé)任人等)，并將這些信息存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.2 霍耳傳感器工作原理

釹磁鐵釘埋于每個(gè)接頭前方和后方的邊膠(輸送帶)內(nèi)，2只霍爾傳感器接收器做為1組，置于輸送帶邊膠(輸送帶)上方。當(dāng)接頭前方的釹磁鐵釘1觸發(fā)霍爾傳感器接收器(組件2)開始3個(gè)計(jì)時(shí)，觸發(fā)霍爾傳感器接收器(組件1)時(shí)第1個(gè)計(jì)時(shí)結(jié)束；當(dāng)接頭后方的釹磁鐵釘2觸發(fā)霍爾傳感器接收器(組件2)時(shí)，第2個(gè)計(jì)時(shí)結(jié)束；觸發(fā)霍爾傳感器接收器(組件1)時(shí)第3個(gè)計(jì)時(shí)結(jié)束。由于2只霍爾傳感器接收器之間的距離非常精確，用第1個(gè)、第3個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)間計(jì)算輸送帶的即時(shí)速度，用第2個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)間乘以即時(shí)速度，計(jì)算出接頭長(zhǎng)度，并與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中原始長(zhǎng)度進(jìn)行比較，計(jì)算接頭伸長(zhǎng)累積量，達(dá)到相關(guān)指標(biāo)時(shí)，預(yù)警或停機(jī)。

傳感器組件檢測(cè)到射頻信號(hào)與磁信號(hào)經(jīng)USB數(shù)據(jù)線上傳到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中，識(shí)別接頭編號(hào)，記錄時(shí)間，計(jì)算即時(shí)速度與接頭長(zhǎng)度，將接頭長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)接頭長(zhǎng)度進(jìn)行比較，得到接頭伸長(zhǎng)量。為防止輸送帶撕邊或跑偏，傳感器組件雙側(cè)安裝。

2.3 系統(tǒng)功能及技術(shù)參數(shù)

斷帶檢測(cè)系統(tǒng)的功能包括：斷絲檢測(cè)預(yù)警、抽頭檢測(cè)預(yù)警、扭曲檢測(cè)預(yù)警和接頭伸長(zhǎng)量預(yù)警。JT1000帶式輸送機(jī)在線斷帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 JT1000帶式輸送機(jī)在線斷帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)輸送帶在線斷帶檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要進(jìn)行鋼絲繩芯輸送帶接頭檢測(cè)，并兼顧無(wú)接頭處輸送帶檢測(cè)。利用射頻傳感器確定接頭位置，利用霍爾傳感器精確測(cè)量輸送帶運(yùn)行芨接頭長(zhǎng)度量，將測(cè)量量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，計(jì)算出變形量。當(dāng)變形量大于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。精確定位和確定接頭位置、接頭變形量、鋼絲繩接頭抽動(dòng)量以及鋼絲繩的斷裂情況。同時(shí)對(duì)故障點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，提出預(yù)警方案，進(jìn)而組成輸送帶安全預(yù)警系統(tǒng)，使得輸送帶故障在源頭得以控制，提高煤礦生產(chǎn)的安全指數(shù)，解決輸送帶在線運(yùn)行中實(shí)時(shí)檢測(cè)存在的問(wèn)題。

(2)霍耳傳感器接收器安裝的距離精度可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)，時(shí)間測(cè)量可以達(dá)到納秒級(jí)。輸送帶運(yùn)行后，去除干擾因素，測(cè)量出接頭長(zhǎng)度的變化量精度可以達(dá)到1 mm，報(bào)警信息準(zhǔn)確。

(3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置采用高精度傳感器(X軸精度0.06 mm，Z軸精度0.005 mm)、X光厚度檢測(cè)等傳感器組成的設(shè)備，輸送帶測(cè)量速度達(dá)到15 m/s；磨損面積測(cè)量精度達(dá)到小于實(shí)際磨損面積的1%；深度測(cè)量精度達(dá)到小于磨損深度的2%，完全能夠滿足磨損面積與磨損體積的測(cè)量要求。

4 應(yīng)用效果

輸送機(jī)在線斷帶預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備于2020年7月28日在二礦排矸主運(yùn)輸送帶機(jī)頭機(jī)房安裝使用，投入使用后情況良好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行穩(wěn)定，完全符合使用要求。

(1)輸送機(jī)在線斷帶警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩芯輸送帶的數(shù)字化，對(duì)鋼絲繩芯輸送帶的內(nèi)部及外部的失效特征的檢測(cè)，對(duì)輸送帶鋼絲繩芯斷絲、抽頭、扭曲、接頭長(zhǎng)度變化等失效特征捕捉準(zhǔn)確，滿足了設(shè)計(jì)要求。

輸送機(jī)在線斷帶預(yù)警系統(tǒng)抓取的失效特征如圖1。圖2為運(yùn)行以來(lái)出現(xiàn)的扭曲、鼓包時(shí)記錄下的圖片，為現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)處理問(wèn)題提供了可靠的依據(jù)。

圖1 輸送帶接頭鋼絲繩扭曲產(chǎn)生膠帶表面鼓包磨損嚴(yán)重

圖2 鼓包磨損處

(2)輸送帶表面磨損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)、紅外結(jié)構(gòu)光三維重建技術(shù)，重建輸送帶表面。紅外光源、線掃結(jié)構(gòu)光柵、紅外線掃相機(jī)構(gòu)成多目結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)，利用相關(guān)算法重建輸送帶表面深度地形圖(等高圖)，將磨損面積及深度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。2021年3月5日出現(xiàn)報(bào)警發(fā)現(xiàn)5號(hào)頭22 m處磨損超過(guò)設(shè)定值。后經(jīng)專業(yè)技術(shù)人員實(shí)測(cè)，磨損面積的測(cè)定值和實(shí)際磨損的值基本一致，誤差少于磨損的1%。

1008帶式輸送機(jī)上安裝在線斷帶預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行至今，發(fā)現(xiàn)皮帶故障5次，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、組成了1008帶式輸送機(jī)的安全預(yù)警系統(tǒng)，保證了1008帶式輸送機(jī)安全有效運(yùn)行。

5 效 益

輸送機(jī)在線斷帶預(yù)警系統(tǒng)的使用，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩芯輸送帶的數(shù)字化，能夠大大降低斷帶的風(fēng)險(xiǎn)，有效降低帶式輸送機(jī)巡檢工的工作強(qiáng)度，同時(shí)管理上有據(jù)可依，節(jié)省人力成本；為煤礦帶式輸送機(jī)在線安全預(yù)警體系打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。