帶式輸送機故障分析及監(jiān)測技術(shù)研究

李俊威

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500）

引言

帶式輸送機長時間處于重載狀態(tài)下運行且工作環(huán)境較為惡劣，在使用過程中難以避免會出現(xiàn)輸送帶跑偏、打滑、撕裂或者滾筒打滑等問題[1-2]。為此，《煤礦安全規(guī)程》對帶式輸送機沿線布置的安全保護及監(jiān)控裝置有明確要求?，F(xiàn)階段堆煤、跑偏以及打滑等故障監(jiān)測技術(shù)相對成熟并應(yīng)用廣泛[3-5]。但是關(guān)于輸送帶斷裂或者縱向撕裂等故障監(jiān)測仍存在檢測方法可靠性不足、效率不高等問題，在一定程度制約帶式輸送機無人值守系統(tǒng)應(yīng)用[6-7]。文中重點就帶式輸送機縱向撕裂、斷裂故障形成原因進(jìn)行分析，指出礦井常使用的此類故障監(jiān)測技術(shù)并進(jìn)行分析探討，以期更好地促進(jìn)帶式輸送機故障監(jiān)測技術(shù)發(fā)展并提高帶式輸送機運行安全保障能力。

1 帶式輸送機縱向撕裂故障分析及監(jiān)測技術(shù)分析

1.1 縱向撕裂故障形成原因分析

隨著礦井生產(chǎn)能力以及開拓范圍不斷增加，帶式輸送機輸送帶帶強以及鋪設(shè)距離等均有所增大。出現(xiàn)縱向撕裂故障時，若發(fā)現(xiàn)不及時會導(dǎo)致輸送帶損壞，不僅產(chǎn)生經(jīng)濟損失而且影響井下正常生產(chǎn)，輸送帶縱向撕裂示意圖如圖1 所示。

圖1 輸送帶縱向撕裂示意圖

根據(jù)統(tǒng)計分析，帶式輸送機出現(xiàn)縱向撕裂故障原因包括有以下幾個方面[8]：

1）輸送帶上難以避免會有大塊煤矸石、鐵釬或者槽鋼等異物，容易損壞輸送帶，當(dāng)異物卡在托輥或者機架上，會導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)縱向劃痕，嚴(yán)重時導(dǎo)致縱向撕裂；

2）輸送帶出現(xiàn)跑偏故障時，托輥蓋變口或者機架變口容易劃開輸送帶，導(dǎo)致縱向撕裂；

3）當(dāng)輸送帶機頭出現(xiàn)堆煤時，若堅硬矸石卡在機頭連接梁處，會對輸送帶產(chǎn)生一定的作用力，嚴(yán)重時產(chǎn)生縱向撕裂；

4）當(dāng)巷道出現(xiàn)冒頂時，有鋒利邊角的矸石穿透輸送帶并卡在機架上，輸送帶未及時停止時會出現(xiàn)縱向撕裂；

5）當(dāng)輸送帶機頭位置出現(xiàn)翹起、輸送帶老化時，在運行過程中受到異物阻礙容易出現(xiàn)縱向撕裂。

1.2 縱向撕裂監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，縱向撕裂事故中占比超過80%出現(xiàn)在機尾轉(zhuǎn)載點處。因此，現(xiàn)階段采用的縱向撕裂監(jiān)測設(shè)備主要布置在機尾處，常見監(jiān)測方法有機械式監(jiān)測法、機器視覺監(jiān)測法、輸送帶內(nèi)嵌導(dǎo)體監(jiān)測法、測振式監(jiān)測法以及附加壓力監(jiān)測法。

1.2.1 機械式監(jiān)測法

該技術(shù)方法通過棒型監(jiān)測器、魚線型監(jiān)測器以及擺動托輥監(jiān)測器等對輸送帶上異物進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)有異物觸發(fā)機械結(jié)構(gòu)后會發(fā)出預(yù)警。此種監(jiān)測技術(shù)方法監(jiān)測精度偏低，且誤報或者漏檢等情況發(fā)生率較高，如異物卡到托輥但未觸碰監(jiān)測元件時，會導(dǎo)致漏檢；當(dāng)其他物體接觸到監(jiān)測元件時則會出現(xiàn)誤報警問題；同時機械裝置在井下惡劣環(huán)境中普遍面臨使用壽命較短問題。

1.2.2 外部變化監(jiān)測法

通過對輸送帶外部特征變化實現(xiàn)縱向撕裂監(jiān)測，監(jiān)測設(shè)備包括有帶寬監(jiān)測裝置、漏料監(jiān)測裝置等。外部變化監(jiān)測法應(yīng)用有較大的局限性。

1.2.3 振動監(jiān)測法

振動監(jiān)測法對縱向撕裂故障進(jìn)行監(jiān)測時使用的設(shè)備包括有振動接收器、偏心振動器。在帶式輸送機正常運行時，偏心振動器給輸送帶施加橫向振動力，振動接收器接收到振動信號后對振動信號進(jìn)行分析處理。當(dāng)振動信號減弱或者消失時，則表明出現(xiàn)縱向撕裂。此類監(jiān)測方法漏檢發(fā)生率較高且設(shè)備容易損壞。

1.2.4 輸送帶內(nèi)嵌導(dǎo)體監(jiān)測法

該種方法是間隔一段距離在輸送帶上埋入感應(yīng)線圈，輸送帶感應(yīng)線圈經(jīng)過布置的探頭處時，探頭接收到線圈發(fā)出的電磁信號。當(dāng)輸送帶出現(xiàn)縱向撕裂后線圈會出現(xiàn)破斷，此時探頭接收不到電磁信號從而實現(xiàn)縱向撕裂監(jiān)測。但是埋入到輸送帶上的線圈容易損壞、且此類輸送帶生產(chǎn)成本較高，因此在煤礦井下應(yīng)用不廣泛。

1.2.5 機器視覺監(jiān)測法

此種方法是采用防爆相機實時獲取輸送帶運行圖像并通過專業(yè)軟件對圖像進(jìn)行分析，以便判定是否出現(xiàn)縱向撕裂故障。但是煤礦井下環(huán)境惡劣、空氣中含有大量粉塵且照明條件較差，導(dǎo)致相機維護工作量大，同時面臨獲取圖像質(zhì)量不佳、圖像識別精度偏低等問題。山西某礦井下使用的機械視覺監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 機械視覺監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.2.6 附加壓力監(jiān)測法

當(dāng)輸送帶出現(xiàn)縱向撕裂故障時，輸送帶會產(chǎn)生較大的附加壓力且該壓力持續(xù)時間會超過300 ms。因此，附加壓力監(jiān)測方法是通過特定裝置測定輸送帶上出現(xiàn)的附加壓力，并通過分析附加壓力是否超過設(shè)定閾值對是否出現(xiàn)縱向撕裂進(jìn)行判定?，F(xiàn)場應(yīng)用過程中此種監(jiān)測方法精度、可靠性等仍有一定提升空間。

2 帶式輸送機斷帶故障分析及監(jiān)測技術(shù)分析

2.1 輸送帶斷帶故障原因

輸送帶出現(xiàn)斷帶故障的主要原因包括以下幾方面：

1）輸送帶運行過程中在較大張力作用下出現(xiàn)變形，輸送帶長期在此狀態(tài)下工作，容易導(dǎo)致帶強較低處出現(xiàn)抽絲情況，當(dāng)抽絲數(shù)量及范圍不斷增加且承受力小于工作載荷時，輸送帶即出現(xiàn)斷帶事故；

2）輸送帶在啟動或者停機過程產(chǎn)生的較大機械沖擊，會導(dǎo)致輸送帶出現(xiàn)斷帶事故；

3）輸送帶出現(xiàn)損傷后，輸送帶內(nèi)部鋼絲出現(xiàn)銹蝕、斷絲等，導(dǎo)致輸送帶強度降低，當(dāng)輸送帶在較大載荷作用下時容易出現(xiàn)斷帶事故。

2.2 斷帶監(jiān)測技術(shù)方法

輸送帶斷帶故障常出現(xiàn)在輸送帶接頭處，常見的故障監(jiān)測技術(shù)方法包括有人工監(jiān)測法、基于電磁感應(yīng)監(jiān)測法、X 射線監(jiān)測法等。

2.2.1 人工監(jiān)測法

人工監(jiān)測法是人工對輸送帶是否出現(xiàn)異常進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)異常后采用儀器進(jìn)行確定。常用技術(shù)方法包括有接頭長度測量法、起泡觀測法以及表面應(yīng)變測量法等。人工監(jiān)測方法無法實現(xiàn)輸送帶實時在線監(jiān)測，且在應(yīng)用過程中受輸送帶煤泥粘附、輸送帶表面標(biāo)識磨損等影響監(jiān)測精度及可靠性偏低。

2.2.2 基于電磁感應(yīng)監(jiān)測法

現(xiàn)階段基于電磁感應(yīng)監(jiān)測法是實現(xiàn)輸送帶內(nèi)斷絲、銹蝕或者斷股等故障主要監(jiān)測方法。通過分析磁圖像變化對鋼絲繩故障類型及嚴(yán)重程度等進(jìn)行判別。但是此種技術(shù)方法也存在監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、技術(shù)復(fù)雜以及監(jiān)測實時性有待提升等問題。

2.2.3 X 射線監(jiān)測法

X 射線監(jiān)測法是通過X 射線照射輸送帶并在另一側(cè)接收，對接收的信號進(jìn)行采集、分析并形成投影圖像，通過分析圖像判定輸送帶內(nèi)部情況。通過X 射線可實現(xiàn)輸送帶內(nèi)部鋼絲繩腐蝕、斷絲等故障診斷，但是現(xiàn)場應(yīng)用中也面臨X 射線傷害人體健康、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及安裝不便捷等問題。

3 故障實時監(jiān)測技術(shù)

為提高帶式輸送機運行可靠性及穩(wěn)定性，實現(xiàn)帶式輸送機縱向撕裂、斷帶等故障快速監(jiān)測，降低故障影響，國內(nèi)外眾多學(xué)者及科研機構(gòu)等對在線實時監(jiān)測技術(shù)展開研究，并開發(fā)有在線實時監(jiān)控系統(tǒng)。以德國、美國以及日本為代表的國家提出綜合使用現(xiàn)代通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，研發(fā)出工作性能穩(wěn)定、可靠性強的帶式輸送機智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)帶式輸送機運行狀態(tài)監(jiān)測、故障自動預(yù)警等功能。如德國企業(yè)開發(fā)的PROMOS 監(jiān)控系統(tǒng)具備有功能完備、性能可靠以及智能化程度高等特點，可實現(xiàn)帶式輸送機縱向撕裂、跑偏、打滑、堆煤等故障監(jiān)測同時可對運輸溫度、速度、環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)帶式輸送機軟啟動、自動張緊等控制，但是現(xiàn)場應(yīng)用中也面臨監(jiān)控系統(tǒng)成本高、通信協(xié)議兼容性差以及維修難度大等問題。國內(nèi)企業(yè)也開發(fā)有在線監(jiān)控系統(tǒng)，代表企業(yè)包括常州聯(lián)力、天津華寧等，開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)雖然可滿足帶式輸送機故障基本監(jiān)測需求，但是也存在功能不完備、通信協(xié)議不規(guī)范以及故障定位精度偏低等問題。

4 結(jié)語

文中對帶式輸送機縱向撕裂、斷帶等故障類型發(fā)生原因進(jìn)行分析，并對現(xiàn)階段煤礦井下使用的各類監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)。實時監(jiān)控技術(shù)在提高帶式輸送機運行可靠性以及故障綜合預(yù)警能力方面表現(xiàn)出較好技術(shù)優(yōu)勢，提高帶式輸送機運輸系統(tǒng)自動化、智能化水平并可降低作業(yè)人員勞動強度。