煤礦鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)設(shè)計應用*

崔亞義

(山西高河能源有限公司，山西 長治 046000)

0 引 言

帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的機械設(shè)備，在國內(nèi)的各大煤礦中廣泛使用[1]。鋼絲繩芯輸送帶是帶式輸送機中最關(guān)鍵的部件，主要用于承載物料并克服摩擦力進行物料輸送，在主斜井中輸送帶長期處于高負荷、滿載運行工況，加上煤礦井下環(huán)境比較惡劣，輸送帶內(nèi)部鋼絲非常容易發(fā)生銹蝕、磨損甚至會斷裂，鋼絲的斷裂導致帶式輸送機的張力發(fā)生突變，非常容易引發(fā)煤礦斷帶事故[2-3]。按照煤礦安全管理要求，必須對輸送帶進行定期檢測，傳統(tǒng)的檢測方式是工人攜帶檢測裝置對停機的設(shè)備進行檢測，存在檢測耗時長、勞動強度大的問題，而且由于鋼絲位于內(nèi)部，檢測非常困難，檢測結(jié)果準確度也不高[4]。針對傳統(tǒng)人工檢測存在的諸多問題，對鋼絲繩芯輸送帶常見損傷和故障類型進行分析探討，提出一種基于X射線的輸送帶在線檢測系統(tǒng)設(shè)計方案，可在運行過程中完成檢測任務，大大減輕工人的勞動強度，由于X射線穿透性比較強，它可以對內(nèi)部鋼絲進行準確檢測和診斷，有效避免煤礦事故的發(fā)生，對于保證設(shè)備安全運行具有重要的意義和價值。

1 鋼絲繩芯輸送帶常見損傷與傳統(tǒng)檢測方法

1.1 鋼絲繩芯輸送帶損傷類型分析

輸送帶長時間運行過程中，受到煤礦井下潮濕、多塵和電磁輻射等環(huán)境的影響，受到長距離、大運量和滿載運行等工況要求，內(nèi)部的鋼絲繩非常容易出現(xiàn)損傷和缺陷，常見損傷類型包括內(nèi)部鋼絲局部斷絲、鋼絲銹蝕、鋼絲彎曲、鋼絲交錯等，這些會影響輸送帶的張力及輸送帶運行的平穩(wěn)性[5]。表1所列為帶式輸送機鋼絲繩芯輸送帶常見缺陷和損傷類型及表現(xiàn)形式。

由表1看出，目前常見的輸送帶內(nèi)部鋼絲繩損傷主要有6種類型，其中最常見的鋼絲繩芯故障為局部斷絲、銹蝕和排布不均勻3類，當輸送帶內(nèi)部斷絲到一定程度將會引起斷帶事故，鋼絲銹蝕是引起內(nèi)部斷絲的前提，內(nèi)部鋼絲不均勻?qū)е聝?nèi)部鋼絲應力不均，長時間滿載運行非常容易造成輸送帶運行故障。為此為保證煤礦設(shè)備安全正常運行，必須對帶式輸送機輸送帶進行定期檢測，從而避免因內(nèi)部斷絲嚴重而導致斷帶事故發(fā)生[6]。

表1 帶式輸送機常見缺陷與損傷類型

1.2 傳統(tǒng)檢測技術(shù)與方法

目前國內(nèi)輸送帶內(nèi)部損傷檢測主要采用傳統(tǒng)檢測方式，就是通過工人肉眼觀察或攜帶檢測裝置對停機的輸送帶進行檢測，通過維護人員肉眼觀察很難準確檢測到輸送帶內(nèi)部的鋼絲損傷，而現(xiàn)有的檢測設(shè)備穿透力不強，檢測的結(jié)果不精確，并且在檢測過程中需要帶式輸送機停機，影響生產(chǎn)效率。隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，可采用新的檢測技術(shù)手段對鋼絲繩芯輸送帶進行準確高精度檢測，及時發(fā)現(xiàn)輸送帶的內(nèi)部斷絲、銹蝕和排布不均等損傷問題，保證輸送帶運行的平穩(wěn)性，有效避免斷帶事故的發(fā)生。圖1所示為帶式輸送機停機檢測現(xiàn)場，需要工人爬在輸送帶上進行檢測，勞動強度比較大、環(huán)境比較惡劣。

圖1 輸送帶傳統(tǒng)檢測方法

2 鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)總體方案

2.1 無損在線檢測總體技術(shù)方案

鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)利用X射線穿透力強且成像清晰的特點，將X射線發(fā)射箱布置于帶式輸送機下方，主要由X射線發(fā)送裝置、接收裝置、電路控制箱和上位機監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，其中X射線發(fā)射裝置安裝在帶式輸送機的正下方，用于對輸送帶的信息進行準確采集，它可以形成一條綠色的檢測線，穿透輸送帶的外表面直接進入內(nèi)部鋼絲層[7]。

圖2所示為在線檢測系統(tǒng)總體方案，它主要由X射線發(fā)射裝置、電路控制模塊、工控機和上位機監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，由X射線發(fā)射模塊和電路系統(tǒng)組成了X射線處理箱，可以對帶式輸送機照射X射線并接收到X射線的反饋信息，其中X射線發(fā)射裝置布置在輸送帶的下方，便于準確使用X射線對輸送帶進行照射，電路控制模塊主要由多種電路相互連接而成。

圖2 總體技術(shù)方案組成

2.2 X射線檢測原理

目前幾乎所有的帶式輸送機都可以被X射線穿透，本次鋼絲繩芯輸送帶采用X射線進行照射，X射線穿透輸送帶后會受到鋼絲、橡膠、內(nèi)部縫隙等不同程度的衰減，利用X射線可以采集到經(jīng)X射線轉(zhuǎn)換處理的不同強度的電信號，然后遠程控制系統(tǒng)處理端對檢測到的信號進行數(shù)字化顯示，并且工控機將分析得到的數(shù)據(jù)在上位機中顯示，從而可以獲取到鋼絲繩芯輸送帶內(nèi)部鋼絲、橡膠的各種狀態(tài)，從而可以獲取到鋼絲表面的損傷、斷絲或交疊等問題，獲取到定位缺陷或問題鋼絲所在的位置并及時發(fā)出報警。

圖3所示為X射線照射原理圖，通過接收端對光帶進行分析，也可以判斷出輸送帶是否發(fā)生斷帶、縱撕、表面損傷等問題，有效避免輸送帶的故障或斷裂。X射線照射的基本原理是由X射線發(fā)生裝置和X射線探測裝置組成，X射線發(fā)生器通過小孔產(chǎn)生X射線并均勻照射在輸送帶的下表面，由X射線探測裝置采集輸送帶X射線信號，從而對內(nèi)部信息進行采集并由電路系統(tǒng)進行處理和分析，整個執(zhí)行過程需要硬件模塊和軟件系統(tǒng)，還需要使用圖像處理算法對檢測到的圖像信息進行處理[8]。

圖3 X射線檢測基本原理圖

3 硬件與軟件系統(tǒng)組成

3.1 硬件系統(tǒng)組成

X射線在線檢測硬件系統(tǒng)主要由多個檢測設(shè)備組成，包括X射線發(fā)射裝置、X射線探測器、控制系統(tǒng)模塊等。

(1) X射線發(fā)射裝置 X射線發(fā)射裝置包括產(chǎn)生和控制X射線發(fā)射的所有結(jié)構(gòu)組合，其中X射線發(fā)射裝置發(fā)出的射線可以穿透目前幾乎所有類型的輸送帶，文中要求X射線自身的能量不能過強，使射線穿過空氣、橡膠、鋼絲的衰減能夠在X射線探測器接收到的信號范圍內(nèi)準確區(qū)分，連續(xù)工作時間應能滿足當前最長輸送帶的單圈運行時間。X射線發(fā)生裝置建議參數(shù)：出線束應為扇形束，管電壓應不低于80 kV，出線狀態(tài)連續(xù)工作時間應不小于90 min。

(2) X射線探測器 X射線探測器可以探測發(fā)射端照射出的X射線，并且對X射線的強度進行轉(zhuǎn)換，將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒂呻娐废到y(tǒng)進行處理和分析。X射線探測器應能承受射線發(fā)生裝置直接照射的能量，能區(qū)分輸送帶內(nèi)部鋼絲單股斷裂的變化，可在高速運動狀態(tài)下對輸送帶內(nèi)部進行清晰的成像。表2所列為X射線探測器的基本參數(shù)特征。

表2 X射線基本參數(shù)特征

由表2看出，X射線探測器裝置采用的是線陣探測器，使用X射線照射鋼絲繩，在底部將會呈現(xiàn)出一條綠色的光帶，從外部來看，當輸送帶沒有表現(xiàn)出縱撕、磨損時，綠色光帶邊緣非常整齊且大致呈直線形，通過接收端探測器可以檢測出輸送帶內(nèi)部鋼絲的斷絲情況。

(3) 控制系統(tǒng)模塊 控制主機是整個控制系統(tǒng)的硬件核心，包括電路系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)上位機。通過控制系統(tǒng)可以遠程控制X射線發(fā)射裝置的開關(guān)和X射線探測裝置啟動信號檢測的開關(guān)，對數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)送到工控機中，隨后由工控機將信息發(fā)送到上位機監(jiān)控系統(tǒng)，一般而言，上位機監(jiān)控采用的是專用的監(jiān)控柜，需要滿足井下防爆的要求。在現(xiàn)場應用中，X射線發(fā)射裝置旁需要安裝防護裝置，使用高密度物質(zhì)對射線進行一定程度的阻隔，避免高劑量的射線對人體進行照射從而影響身體健康[9-10]。

3.2 軟件算法流程圖

為了實現(xiàn)對輸送帶內(nèi)部鋼絲的準確檢測并且發(fā)送到上位機端進行診斷分析，需要通過軟件算法來幫助實現(xiàn)，上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件需要顯示整條皮帶內(nèi)部的透視圖，對所有檢測到的缺陷進行自動識別并進行標定，對缺陷位置和原因進行智能分析和診斷，精確檢測鋼絲繩芯輸送帶內(nèi)部鋼絲運行情況，并且能夠?qū)崟r生成歷史記錄便于后期進行導出。圖4所示為軟件系統(tǒng)流程圖。

圖4 算法控制流程圖

從圖4可知，數(shù)據(jù)采集模塊需要對系統(tǒng)程序進行初始化，對最初設(shè)備記錄的輸送帶內(nèi)層鋼絲的接頭或斷頭情況進行記錄，創(chuàng)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，隨后利用X射線采集運行中輸送帶內(nèi)層鋼絲的工況，包括斷絲、銹蝕和交叉布置等情況，采集到的數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進行對比，判斷是否屬于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的故障類型，對數(shù)據(jù)進行分析和定位報警。對于非基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的鋼絲損傷會自動記錄新的數(shù)據(jù)庫，以標準數(shù)據(jù)庫的特征信號作為基礎(chǔ)對比，通過相似度最高的故障作為最終的判定結(jié)果，并對異常位置進行標定并報警提示，在上位機中可以記錄輸送帶內(nèi)部故障的位置和自動導出歷史記錄。

4 現(xiàn)場實驗與應用效果

為了驗證本次提出的煤礦鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)方案的有效性，制作系統(tǒng)樣機并在國內(nèi)某煤礦進行現(xiàn)場實驗與應用，按照總體技術(shù)方案的布置要求對各個模塊進行安裝，X射線發(fā)射裝置安裝在帶式輸送機下方，將探測裝置安裝在皮帶的側(cè)方，保證X射線穿透皮帶之后探測器能夠準確接收到射線強度的變化信號。在帶式輸送機運行的情況下進行在線檢測，圖5所示為現(xiàn)場應用與效果圖。

圖5(a)所示為本次鋼絲繩芯輸送帶無損檢測裝置樣機，圖5(b)所示為監(jiān)控系統(tǒng)界面，通過樣機在現(xiàn)場進行應用，可以得到如圖6所示的應用效果圖。

圖5 現(xiàn)場應用與效果

圖6 在線檢測系統(tǒng)應用效果

從圖6可知，采用本套系統(tǒng)對鋼絲繩芯帶式輸送機進行檢測，可以準確識別輸送帶內(nèi)部的彎曲變形、局部斷裂、縱向撕裂和排布不均勻等常見損傷，并且可以定位輸送帶內(nèi)部鋼絲的位置，直觀地看到輸送帶內(nèi)部的損傷，及時對內(nèi)部損傷進行維護或?qū)斔蛶нM行更換，有效避免事故發(fā)生。

通過現(xiàn)場應用得出：所設(shè)計的鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統(tǒng)在帶式輸送機實際運行過程中可以完成動態(tài)檢測和異常的識別，采用穿透性較強的X射線對輸送帶內(nèi)部和外表面進行智能檢測，避免停機，大大減輕工人的勞動強度。在上位機端顯示出內(nèi)部鋼絲的動態(tài)影像圖譜，可以清楚識別內(nèi)部故障，實現(xiàn)了自動采集數(shù)據(jù)，自動分析和自動報警，并且可以對異常位置進行準確標定，識別準確率≥98.6%，誤報率≤0.4%，缺陷的定位誤差≤150 mm，有效避免輸送帶事故發(fā)生，取得良好的應用效果。

5 結(jié) 語

針對煤礦物料輸送設(shè)備帶式輸送機傳統(tǒng)檢測方式存在工人勞動強度大、檢測效率低、檢測精度不高、檢測結(jié)果不可靠等問題，對鋼絲繩芯帶式輸送機常見缺陷和異常進行分析，探討了傳統(tǒng)檢測方式存在的問題，針對存在問題提出一套基于X射線的鋼絲繩芯輸送帶在線無損檢測技術(shù)方案，并對系統(tǒng)硬件部分和軟件系統(tǒng)進行介紹，最后完成樣機的制作并在現(xiàn)場進行應用，應用結(jié)果表明：采用這套檢測裝置可以準確、快速識別輸送帶內(nèi)部鋼絲故障缺陷，識別精度高達98.6%，大大減輕工人的勞動強度，有效避免事故發(fā)生，對于提高煤礦安全生產(chǎn)和運行維護具有重要的參考意義和價值。