煤礦皮帶輸送機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

高飛

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司 山西省長治市 047100）

近年來，隨著煤礦開采量和開采強(qiáng)度的不斷增加，這就意味著煤礦井下物料運(yùn)輸強(qiáng)度變得越來越大，皮帶機(jī)是最常用的煤礦物料輸送設(shè)備，在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。因?yàn)槠C(jī)在實(shí)際使用過程中，不僅僅是牽引機(jī)構(gòu)，還是重要的承載機(jī)構(gòu)，貫穿皮帶機(jī)的實(shí)際全長，用量比較大，成本也比較高。皮帶機(jī)是由機(jī)架結(jié)構(gòu)、托輥、膠帶、驅(qū)動(dòng)滾筒、電動(dòng)機(jī)等部分組成，在長時(shí)間運(yùn)行過程中，皮帶機(jī)非常容易出現(xiàn)不同程度的損傷和破壞，最常見的就是托輥故障、輸送帶撕裂、機(jī)架與基礎(chǔ)連接松動(dòng)、機(jī)架螺栓松動(dòng)等問題，這些問題都會(huì)影響皮帶機(jī)的正常運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的振動(dòng)或噪聲，甚至有可能導(dǎo)致膠帶局部溫度過高引起燃燒，從而引起煤礦事故。比如發(fā)生在2020 年9 月27 日的重慶松藻煤礦重大火災(zāi)事故，造成16 人死亡42 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到了2501 萬元，主要原因就是煤礦井下皮帶機(jī)托輥被卡死，內(nèi)部粉煤沉淀較多，導(dǎo)致局部溫度過高從而引燃輸送帶，最終造成重大煤礦事故。從煤礦安全角度分析，迫切要求對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，對(duì)皮帶機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、皮帶機(jī)周圍工況、皮帶機(jī)的運(yùn)行情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并自動(dòng)檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故苗頭并采取措施，避免煤礦事故的發(fā)生。

本文通過對(duì)煤礦皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了一種煤礦皮帶機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行檢測，準(zhǔn)確采集皮帶機(jī)的運(yùn)行狀況，上傳到上位機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行智能分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的事故苗頭并進(jìn)行報(bào)警提醒維修，可以有效避免煤礦事故的發(fā)生。對(duì)于保證煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要的作用。

1 煤礦皮帶機(jī)常見故障類型與檢測點(diǎn)分析

1.1 煤礦皮帶機(jī)基本結(jié)構(gòu)

煤礦皮帶機(jī)是最常見的一種物料輸送設(shè)備，也是散料輸送中最常用的機(jī)械設(shè)備。隨著帶式輸送機(jī)技術(shù)難題的解決，長距離、大運(yùn)量、高速帶式輸送機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，在運(yùn)行過程中也出現(xiàn)了越來越多的問題，使得煤礦現(xiàn)場設(shè)備的巡視范圍和工作量變大。釆用傳統(tǒng)的人工巡視，很難做到全面準(zhǔn)確巡檢，將給設(shè)備和煤礦安全生產(chǎn)帶來各種安全隱患。如圖1 所示為皮帶機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖1： 皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖

如圖1 所示。皮帶機(jī)主要由傳動(dòng)滾筒、輸送帶、托輥、機(jī)架、改向滾筒、張緊裝置以及電動(dòng)機(jī)等部件組成。通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器與傳動(dòng)滾筒連接，將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)滾筒，拉動(dòng)輸送帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由位于皮帶機(jī)下方的托輥進(jìn)行支撐，保證輸送帶有一定的撓度，避免引起太大的懸垂。皮帶機(jī)本身結(jié)構(gòu)并不是特別復(fù)雜，但是當(dāng)皮帶機(jī)距離非常長，運(yùn)量比較大、運(yùn)行時(shí)間長時(shí)非常容易引起皮帶機(jī)故障，尤其是在煤礦井下復(fù)雜多樣的工況下，在皮帶機(jī)的周圍非常容易出現(xiàn)大量的煤粉或者堆煤問題，從而具備燃燒的條件極易引起輸送帶的燃燒。

1.2 煤礦皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)常見故障類型

由于煤礦皮帶機(jī)屬于常見的機(jī)電設(shè)備，在長期運(yùn)行的過程中會(huì)出現(xiàn)各種設(shè)備運(yùn)行故障。隨著煤礦開采深度的不斷增加，皮帶機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)逐漸是長距離、大運(yùn)量，受到井下復(fù)雜環(huán)境的影響，伴隨著粉塵、腐蝕性氣體，潮濕，瓦斯、一氧化碳和硫化氫等有毒有害氣體，皮帶機(jī)關(guān)鍵部件容易損壞。比如常見的皮帶機(jī)托輥卡死、減速器高溫、輸送帶斷裂、輸送帶縱撕等故障，這些都將影響物料的輸送，引發(fā)礦山機(jī)電設(shè)備事故。根據(jù)異常發(fā)生的位置不同大致可以對(duì)皮帶機(jī)的異常運(yùn)行分為三大類，即機(jī)頭部位、機(jī)身部位和機(jī)尾部位異常。

（1）機(jī)頭部異常分析。電動(dòng)機(jī)受粉塵的影響導(dǎo)致內(nèi)部電阻增大引起的局部高溫；減速器潤滑不良引起的局部高溫；驅(qū)動(dòng)滾筒發(fā)生的筒體開裂，中軸損壞，軸承座的損壞破裂等異常情況。

（2）機(jī)身部異常分析。機(jī)身部是以輸送帶和托輥?zhàn)鰹橹饕獦?gòu)件。輸送帶的損壞也是常見的一種帶式輸送機(jī)異常情況，包括有輸送帶的斷裂、輸送帶的縱撕、輸送帶的跑偏、輸送帶大塊矸石卡死、輸送帶局部磨損嚴(yán)重等異常情況；托輥常發(fā)生的異常情況有：托輥卡死、托輥軸線彎曲變形、托輥磨穿形成破口、托輥局部高溫、托輥筒殼的損壞等異常。

（3）機(jī)尾部異常分析。機(jī)尾部的異常主要是以結(jié)構(gòu)的運(yùn)行異常為主，包括：滾筒的開裂、卸料故障、支撐座與基礎(chǔ)的連接破壞、筒體包膠磨損嚴(yán)重等異常，這些異常都會(huì)引起帶式輸送機(jī)在卸料端對(duì)輸送帶的磨損加劇，出現(xiàn)局部高溫。

2 自動(dòng)檢測系統(tǒng)總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)皮帶機(jī)的實(shí)際運(yùn)行檢測要求，從維護(hù)皮帶機(jī)正常運(yùn)行角度分析，不僅需要對(duì)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，還需要對(duì)皮帶機(jī)周圍的環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行檢測，具體參數(shù)信息包括皮帶機(jī)周圍空氣中的有毒有害氣體、皮帶機(jī)附近的煤粉堆積情況等，如表1 所示為煤礦井下有毒有害氣體檢測濃度要求與反應(yīng)時(shí)間。

表1： 井下環(huán)境氣體檢測技術(shù)指標(biāo)

為此對(duì)皮帶機(jī)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)提出如下要求：

（1）準(zhǔn)確定點(diǎn)采集皮帶機(jī)運(yùn)行參數(shù)；

（2）對(duì)關(guān)鍵位置點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，識(shí)別速度快，精度高；

（3）自動(dòng)檢測系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)需要滿足巡檢的要求；

（4）自動(dòng)檢測系統(tǒng)能夠布置安裝在皮帶機(jī)的一側(cè)并進(jìn)行固定。

（5）自動(dòng)檢測系統(tǒng)能夠適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜工況的要求。

通過以上皮帶機(jī)常見運(yùn)行異常的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，皮帶機(jī)關(guān)鍵零部件的異常故障往往會(huì)表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，比如發(fā)熱、放光、聲音異常等，所以對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行異常進(jìn)行檢測的關(guān)鍵是準(zhǔn)確把握發(fā)出的物理信號(hào)，對(duì)物理信號(hào)進(jìn)行采集，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行處理和分析。

2.2 總體技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測，設(shè)計(jì)出巡檢裝置模塊對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行智能檢測，如圖2 所示為在線檢測裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖2： 皮帶機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)方案組成圖

從圖2 中可知，皮帶機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)方案主要由檢測裝置本體、安裝吊鉤、以及安裝在不同位置的電子定位標(biāo)簽組成。通過布置在輸送帶附近的自動(dòng)檢測裝置本體采集皮帶機(jī)的運(yùn)行狀況，并且檢測裝置本體可以選擇固定在皮帶機(jī)側(cè)方，也可以將其懸掛在鋼絲繩上，在皮帶機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾位置安裝導(dǎo)向輪，利用猴車的原理實(shí)現(xiàn)循環(huán)自動(dòng)檢測，從源頭控制，實(shí)時(shí)檢測識(shí)別皮帶上的大塊物料和長桿利器，如大塊矸石、錨桿、道木、鐵管等，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)報(bào)警、停車，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由人工監(jiān)視視頻圖像、人工判斷故障報(bào)警的模式，安全、可靠、準(zhǔn)確率高。

由于皮帶機(jī)距離比較長，且在長距離運(yùn)行過程中某個(gè)位置出現(xiàn)異常需要對(duì)其進(jìn)行精確定位，便于及時(shí)進(jìn)行處理和維修，為此設(shè)計(jì)了故障點(diǎn)自動(dòng)定位系統(tǒng)。采用的是在每個(gè)承載托輥處的機(jī)架和輸送帶邊緣處等間隔安裝無源電子標(biāo)簽，每臺(tái)自動(dòng)檢測裝置本體內(nèi)部安裝有多個(gè)讀卡裝置，根據(jù)識(shí)別的電子標(biāo)簽確定當(dāng)前這臺(tái)自動(dòng)檢測裝置目前所在的具體位置，當(dāng)某個(gè)位置出現(xiàn)異常時(shí)，將會(huì)直接發(fā)送到上位機(jī)端，進(jìn)而可以解決皮帶機(jī)巡檢過程中托輥和輸送帶對(duì)應(yīng)位置的識(shí)別問題。當(dāng)皮帶機(jī)某個(gè)位置出現(xiàn)異常時(shí)，此時(shí)可以通過電子定位標(biāo)簽發(fā)送異常信息到讀卡器，隨后由讀卡器對(duì)信息進(jìn)行放大和處理，并且由自身搭載的無線通訊模塊將信息發(fā)送到上位機(jī)端，在上位機(jī)端可以直接定位異常位置并且對(duì)異常情況進(jìn)行自動(dòng)診斷和分析，及時(shí)報(bào)警提醒維修。

3 傳感器模塊與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件模塊組成

皮帶輸送機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的核心是自動(dòng)檢測模塊，其中自動(dòng)檢測模塊的基本功能是對(duì)皮帶輸送機(jī)的異常進(jìn)行采集并對(duì)周圍環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行采集，具體包括溫度、煙霧和有毒有害氣體等數(shù)據(jù)。在自動(dòng)檢測模塊內(nèi)部搭載有溫度傳感器、煙霧傳感器和氣體傳感器，用于檢測皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)部分和周圍環(huán)境中的溫度參數(shù)、煙霧濃度參數(shù)和氣體濃度參數(shù)。其中的溫度傳感器用于采集皮帶輸送機(jī)在運(yùn)輸過程中膠帶、托輥和減速器等部件的溫度信息；氣體傳感器具體包括CH傳感器、CO 傳感器、HS 傳感器等，對(duì)煤礦巷道中的有毒有害氣體或可燃性氣體進(jìn)行檢測，防止發(fā)生可燃性氣體超標(biāo)引起爆炸；煙霧傳感器用于采集在煤礦皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中環(huán)境中的粉塵煙霧濃度，避免煙霧濃度過大引起粉塵爆炸；使用外置攝像頭對(duì)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行狀況、托輥運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測，由內(nèi)部的大容量鋰電池對(duì)傳感器和攝像頭進(jìn)行供電。采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行分析，并由內(nèi)部搭載的無線通訊模塊建立與上位機(jī)之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 異常點(diǎn)定位算法流程

采用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)皮帶輸送機(jī)異常位置點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，從而便于為后期設(shè)備的維修提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。執(zhí)行過程為：首先對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行編號(hào)，利用讀寫設(shè)置軟件UHF Reader 將含有坐標(biāo)位置的編號(hào)信息寫入電子標(biāo)簽。RFID 技術(shù)可識(shí)別高速移動(dòng)目標(biāo)，并且可同時(shí)識(shí)別多個(gè)不同標(biāo)簽，當(dāng)自動(dòng)檢測單元靠近所布置的無源電子標(biāo)簽時(shí)可分別接收來自輸送帶與托輥機(jī)架上標(biāo)簽反饋的位置信息。托輥機(jī)架上的位置信息作為定位主參考，與檢測得到的數(shù)據(jù)結(jié)合，并通過控制器與無線通訊系統(tǒng)傳輸至上位機(jī)，比對(duì)位置信息庫實(shí)時(shí)定位機(jī)器人在巷道內(nèi)的坐標(biāo)，方便工作人員查看；輸送帶上的位置信息作為定位輔助參考，當(dāng)監(jiān)測到故障發(fā)生時(shí)，將該位置信息進(jìn)行傳遞，幫助工作人員快速定位故障點(diǎn)。

首先進(jìn)行系統(tǒng)欄初始化，對(duì)整個(gè)檢測系統(tǒng)程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新，隨后通過讀寫器搜索標(biāo)簽信號(hào)，識(shí)別貼在輸送帶和托輥上的標(biāo)簽，當(dāng)檢測到故障信號(hào)時(shí)將會(huì)對(duì)比數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)定位托輥和輸送帶的故障點(diǎn)的位置，通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)端，在上位機(jī)端完成對(duì)異常點(diǎn)的檢測和故障識(shí)別。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行軟件控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，將反復(fù)執(zhí)行系統(tǒng)的主程序，通過對(duì)端口、定時(shí)器以及通訊接口進(jìn)行初始化，隨后啟動(dòng)定時(shí)器，并采集輸入信號(hào)，根據(jù)實(shí)際的輸入信號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的功能模塊，并進(jìn)行控制和有關(guān)的操作。數(shù)據(jù)處理器是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心組件，主要用以處理溫度、聲音、煙霧傳感器以及攝像機(jī)探測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)傳感器信息、視頻監(jiān)控信息以及帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，乃至電動(dòng)機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理器對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)壓縮處理，通過井下交換機(jī)傳輸給地面監(jiān)控中心，監(jiān)控人員可充分掌握井下帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況。

4 現(xiàn)場應(yīng)用與效果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的煤礦皮帶輸送機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果和檢測精度，對(duì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)在山西大同煤礦進(jìn)行現(xiàn)場安裝和試運(yùn)行。將硬件系統(tǒng)安裝在皮帶輸送機(jī)側(cè)上方，對(duì)皮帶輸送機(jī)進(jìn)行自動(dòng)檢測，如表2 所示為自動(dòng)檢測系統(tǒng)在2020 年12 月檢測得到的數(shù)據(jù)。

表2： 現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)表

通過自動(dòng)檢測系統(tǒng)的自動(dòng)導(dǎo)出功能可以得到2020 年的皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀況，通過現(xiàn)場運(yùn)行可以得出采用自動(dòng)檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確采集皮帶輸送機(jī)的故障信息，可以對(duì)異常位置點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，識(shí)別準(zhǔn)確度高達(dá)99.3%，精確報(bào)警率為94.1%，響應(yīng)時(shí)間＜2s，采用自動(dòng)檢測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測可以使得工作量減少85%-95%，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證煤礦皮帶輸送機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。如圖3 所示為現(xiàn)場自動(dòng)檢測效果圖。

圖3： 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與檢測效果

從圖3 中可以看出，自動(dòng)檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確捕捉皮帶輸送機(jī)異常點(diǎn)的溫度信號(hào)和位置信號(hào)，對(duì)其故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷并進(jìn)行定位，有效發(fā)現(xiàn)潛在事故苗頭，便于及時(shí)作出反應(yīng)解決問題，避免煤礦事故的發(fā)生。此外，采用自動(dòng)檢測系統(tǒng)可以節(jié)省人力成本的投入，并實(shí)現(xiàn)全天24 小時(shí)無人監(jiān)控，對(duì)于保證煤礦安全生產(chǎn)，提高皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行效率具有非常的參考意義，取得良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 結(jié)論

針對(duì)煤礦皮帶輸送機(jī)傳統(tǒng)人工檢測存在效率低、成本高、結(jié)果不穩(wěn)定以及準(zhǔn)確度差等問題，本文通過對(duì)煤礦皮帶輸送機(jī)常見故障進(jìn)行分析，并結(jié)合煤礦皮帶輸送機(jī)異常檢測要求，提出了一種煤礦皮帶輸送機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)，將防爆傳感器、無線通訊模塊、鋰電池和電路等集成為自動(dòng)檢測單元，并采用射頻識(shí)別技術(shù)建立了異常定位系統(tǒng)。通過現(xiàn)場應(yīng)用表明：本次設(shè)計(jì)的這套皮帶輸送機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別皮帶輸送機(jī)常見異常并進(jìn)行報(bào)警，識(shí)別準(zhǔn)確度達(dá)到99.3%，響應(yīng)時(shí)間＜2s，對(duì)設(shè)備故障點(diǎn)可以精確定位，有效避免事故的發(fā)生，取得良好的應(yīng)用效果和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。