礦山輸送設(shè)備關(guān)鍵部件異常檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用*

張小虎

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

0 引 言

帶式輸送機(jī)是廣泛應(yīng)用于礦山開采領(lǐng)域的重要散料輸送機(jī)電設(shè)備，在礦山開采領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)也應(yīng)用于化工、軍工、碼頭和港口等行業(yè)[1]。近年來，帶式輸送機(jī)引起的煤礦事故頻頻發(fā)生，如2020年9月27日發(fā)生在重慶松藻煤礦的重大火災(zāi)事故，就是帶式輸送機(jī)發(fā)生故障引起的，此次事故共造成16人死亡，42人受傷，給企業(yè)造成了2501萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失[2]。事故的直接原因是煤粉積淀導(dǎo)致托輥卡死、磨破，進(jìn)而造成局部高溫引燃輸送帶，為此帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件及時(shí)檢測(cè)對(duì)于保證帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行具有重要作用[3]。

目前對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件的檢測(cè)主要是人工完成，需要工人數(shù)量多，勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)成本較高、容易發(fā)生危險(xiǎn)，而且受作業(yè)空間的限制存在檢測(cè)不到位的問題，給煤礦的安全運(yùn)行埋下許多隱患，為此對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件常見故障進(jìn)行分析，提出一套礦山輸送設(shè)備循環(huán)檢測(cè)智能系統(tǒng)方案，重點(diǎn)對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行異常檢測(cè)，代替人工完成礦山輸送設(shè)備的檢測(cè)任務(wù)，達(dá)到識(shí)別精度更高，節(jié)省人力成本，降低工人檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，提高煤礦安全管理水平的目標(biāo)。

1 礦山帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件異常分析

1.1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成

帶式輸送機(jī)主要由托輥、輸送皮帶、支撐結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)器等部分組成[4]。圖1所示為帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成圖。

圖1 礦山帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

帶式輸送機(jī)整體主要由機(jī)頭部、機(jī)身部和機(jī)尾部組成，機(jī)頭部主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)滾筒、減速器等部分組成，機(jī)身部主要由輸送帶本體、托輥部件等部分組成，機(jī)尾部分主要由導(dǎo)向滾筒、張緊輪等部分組成。

隨著煤礦開采深度的不斷增加，帶式輸送機(jī)的運(yùn)行逐漸向長(zhǎng)距離、大運(yùn)量發(fā)展，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，帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件容易損壞，比如常見的帶式輸送機(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。

1.2 帶式輸送機(jī)常見異常分析

帶式輸送機(jī)受井下惡劣環(huán)境的影響，在實(shí)際使用過程中會(huì)出現(xiàn)各種機(jī)電設(shè)備運(yùn)行異常情況。根據(jù)異常發(fā)生的位置不同大致可以對(duì)帶式輸送機(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[5]。

(1) 機(jī)頭部異常分析 機(jī)頭部位電動(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(rùn)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[6]。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[7]；托輥常發(fā)生的異常情況包括托輥卡死、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[8-9]。

(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，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。

通過以上帶式輸送機(jī)常見運(yùn)行異常的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，帶式輸送機(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)帶式輸送機(jī)運(yùn)行異常進(jìn)行檢測(cè)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 帶式輸送機(jī)循環(huán)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)帶式輸送機(jī)的檢測(cè)一方面是采用人工進(jìn)行檢測(cè)，也就是通過工人手持檢測(cè)裝置沿帶式輸送機(jī)進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高、結(jié)果不準(zhǔn)確等問題；另一方面，隨著監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了定點(diǎn)監(jiān)控措施，在帶式輸送機(jī)周圍布置多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)可以負(fù)責(zé)監(jiān)控一個(gè)區(qū)域，可以在上位機(jī)中以九宮格形式顯示，從而達(dá)到對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行異常監(jiān)控，但是受井下惡劣環(huán)境的影響，定點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備需要頻繁更換，需要做到防塵、防爆、防潮等措施，布置數(shù)量比較多，成本比較大。

為此，文中結(jié)合國(guó)內(nèi)中信重工提出的循環(huán)檢測(cè)思路分析，提出了一種智能循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng),目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的全方位檢測(cè)，避免重復(fù)布置檢測(cè)點(diǎn)，降低企業(yè)的檢測(cè)成本，圖2所示為智能檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案。

圖2 智能循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案

圖2中，智能循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)主要由支撐軌道、智能巡檢模塊本體、無線通訊系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，最核心的是智能循環(huán)檢測(cè)模塊。軌道系統(tǒng)對(duì)智能檢測(cè)裝置起到導(dǎo)向和支撐的作用，智能檢測(cè)模塊搭載多種傳感器模塊、遠(yuǎn)紅外攝像頭模塊、拾音器等檢測(cè)裝置。在帶式輸送機(jī)上方架設(shè)軌道，智能巡檢模塊本體位于軌道上，智能巡檢模塊在軌道上運(yùn)行，在運(yùn)行的過程中由自身搭載的傳感器檢測(cè)裝置和攝像頭對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行智能檢測(cè)，在整個(gè)運(yùn)行過程中，可以實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)、上坡運(yùn)行、下坡運(yùn)行和轉(zhuǎn)彎。智能檢測(cè)模塊是由硬件部分和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括各種傳感檢測(cè)裝置，軟件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)模塊與上位機(jī)之間的通訊和對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送等。通過采集帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，完成帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件的檢測(cè)和診斷分析，相比于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和定點(diǎn)檢測(cè)而言，采用循環(huán)移動(dòng)式檢測(cè)可以達(dá)到比較好的檢測(cè)效果，檢測(cè)成本比較低，檢測(cè)效果更好，采用WiFi通訊模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線循環(huán)檢測(cè)。

3 硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能循環(huán)檢測(cè)模塊硬件部分主要包括各種類型的傳感器、數(shù)據(jù)分析預(yù)處理模塊、大容量鋰電池電源模塊、控制模塊、電壓穩(wěn)壓模塊等，其中的傳感器包括有煙霧傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器等多種環(huán)境參數(shù)采集傳感裝置。圖3所示為智能循環(huán)檢測(cè)模塊的硬件組成，模塊之間的線段表示模塊之間的接線。

圖3 智能檢測(cè)模塊硬件組成與接線

從圖3中可知，整個(gè)檢測(cè)裝置主要有三大區(qū)域組成，探測(cè)腔，主控腔和電池腔。其中探測(cè)腔主要是完成對(duì)參數(shù)信息的采集，具體由各種傳感器檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)處理器、無線終端和交換機(jī)等部分組成；主控腔是由電源穩(wěn)壓?jiǎn)卧?、控制單元和舵機(jī)等部分組成，主要是用于控制巡檢模塊的移動(dòng)和調(diào)速；電池腔是以大容量可充電電池作為核心組件，用于對(duì)整個(gè)巡檢模塊進(jìn)行供電，提供電力。智能檢測(cè)模塊安裝的傳感器主要有如下幾類。

(1) 溫濕度傳感器。用于檢測(cè)煤礦井下環(huán)境參數(shù)以及帶式輸送機(jī)載運(yùn)行過程中的溫度變化，采用溫度傳感器進(jìn)行智能化檢測(cè)。選用中煤科工集團(tuán)重慶研究院設(shè)計(jì)的GWSD50/100溫濕度本安型傳感器。

(2) 煙霧傳感器。用于檢測(cè)煤礦巷道中的煙霧濃度，選用中煤集團(tuán)的GQQ5礦用本安型煙霧傳感器。

(3) 360°高清攝像頭。用于對(duì)煤礦井下帶式輸送機(jī)進(jìn)行視覺檢測(cè)，選用國(guó)內(nèi)可靠性較高的?？低晹z像頭，并且搭載紅外線測(cè)溫模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫區(qū)域的紅外線定位。動(dòng)力電池模塊選用1 200 mA大容量可充電鋰電池。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

除了硬件系統(tǒng)外，整個(gè)檢測(cè)裝置可以識(shí)別帶式輸送機(jī)的常見故障特征，對(duì)表現(xiàn)出來的故障特征進(jìn)行提取并進(jìn)行分析和處理，所設(shè)計(jì)的控制算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

圖4(a)所示為整體的控制流程圖，首先進(jìn)行系統(tǒng)的上電初始化，對(duì)各個(gè)傳感器裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器等進(jìn)行通電，然后巡檢單元啟動(dòng)，可以采用人工手動(dòng)操作也可以選擇自動(dòng)控制模式對(duì)巡檢模塊進(jìn)行自動(dòng)控制運(yùn)行，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)將會(huì)啟動(dòng)異常檢測(cè)算法并進(jìn)行異常分析，判斷到達(dá)機(jī)尾時(shí)自動(dòng)改變方向，對(duì)另一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)。圖4(b)是故障檢測(cè)算法流程圖，對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件表面的溫度信號(hào)、聲音信號(hào)、有毒有害氣體的濃度等進(jìn)行分析，判斷是否超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，與位置信息形成關(guān)聯(lián)，從而觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并對(duì)異常位置點(diǎn)進(jìn)行定位。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與調(diào)試

為了驗(yàn)證總體方案的正確性和合理性，設(shè)計(jì)了智能循環(huán)檢測(cè)樣機(jī)并在煤礦井下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，對(duì)智能檢測(cè)模塊的功能進(jìn)行驗(yàn)證，選擇山西大同煤礦1500帶式輸送機(jī)作為檢測(cè)對(duì)象和目標(biāo)，通過帶式輸送機(jī)上方巷道頂部的錨桿支撐軌道系統(tǒng)，將智能檢測(cè)模塊安裝在軌道上，搭建起整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)。通過對(duì)智能檢測(cè)模塊上電，連接上位機(jī)，由上位機(jī)控制智能檢測(cè)模塊的移動(dòng)。圖5所示為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果圖，圖6所示為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面。圖5中，智能巡檢模塊位于帶式輸送機(jī)的上側(cè)方，可以對(duì)帶式輸送機(jī)上表面進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)也可以對(duì)側(cè)方托輥和驅(qū)動(dòng)機(jī)架等進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送到圖6所示的上位機(jī)監(jiān)控端。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

圖6 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面

通過上位機(jī)監(jiān)控端可以隨時(shí)查看巡檢模塊的運(yùn)行軌跡、檢測(cè)位置點(diǎn)的溫度和內(nèi)置電池的電量等信息，通過遠(yuǎn)紅外攝像頭對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件表面的溫度進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)，采集表面的溫度信息，對(duì)溫度異常位置準(zhǔn)確標(biāo)定，故障位置點(diǎn)自動(dòng)生成歷史記錄可以隨時(shí)查看并導(dǎo)出。表1所列為采集數(shù)據(jù)與診斷歷史記錄。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用表明，該套智能循環(huán)檢測(cè)裝置能夠代替人工完成井下帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件的檢測(cè)任務(wù)，實(shí)時(shí)采集關(guān)鍵部件的異常特征并進(jìn)行分析判斷，識(shí)別精度≥99.5%，大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低企業(yè)的成本，取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié) 語

針對(duì)礦山物料輸送機(jī)電設(shè)備關(guān)鍵部件檢測(cè)存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)成本高、檢測(cè)效率低、結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，提出了一套智能循環(huán)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案，并對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的合理性和技術(shù)的可行性，通過1 500 M帶式輸送機(jī)在煤礦井下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用表明，智能檢測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行，大容量鋰電池的續(xù)航時(shí)間大于15 h，識(shí)別準(zhǔn)確度高達(dá)99.5%，可以代替人工完成對(duì)關(guān)鍵部件的檢測(cè)，節(jié)省企業(yè)的勞動(dòng)力成本，有效避免事故發(fā)生，取得良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。