王 磊

（山西煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心， 山西 太原 030031）

引言

帶式輸送機(jī)在煤礦領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。但煤礦作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，輸送機(jī)在正常工作過(guò)程中，皮帶經(jīng)常發(fā)生撕裂問(wèn)題[1]，甚至重大的皮帶撕裂事故[2]，事故輕則對(duì)帶式輸送機(jī)的電機(jī)、減速器、支架等造成損壞，重則引發(fā)人員傷亡事故。此外皮帶本身的價(jià)值非常高，如果皮帶沿著縱向發(fā)生撕裂，可能會(huì)導(dǎo)致整條皮帶報(bào)廢，給煤礦企業(yè)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。如果在裂紋初期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并停機(jī)處理，就能夠避免出現(xiàn)大范圍撕裂，只需要將出現(xiàn)裂紋的區(qū)域進(jìn)行處理還可以繼續(xù)使用[4]。本文結(jié)合帶式輸送機(jī)具體情況分析研究了皮帶防撕裂裝置。

1 帶式輸送機(jī)皮帶撕裂原因分析

1）皮帶跑偏。帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)跑偏問(wèn)題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致皮帶堆積到一側(cè)，并與支架發(fā)生嚴(yán)重刮擦，時(shí)間長(zhǎng)久后使皮帶發(fā)生撕裂[5-6]。

2）鋼繩芯斷裂。對(duì)于鋼繩芯皮帶而言，其在運(yùn)行過(guò)程中遇到較大的外界沖擊時(shí)，可能導(dǎo)致內(nèi)部的鋼繩芯出現(xiàn)斷裂，皮帶的性能大打折扣，最終皮帶無(wú)法承受正常的工作載荷而發(fā)生撕裂。

3）物料堵塞。這種情況主要出現(xiàn)在溜槽下部，皮帶表面和溜槽中間的空隙。物料堵塞在特殊情況下可能會(huì)導(dǎo)致體積比較大的煤礦物料卡在皮帶與溜槽之間，皮帶在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)皮帶表面產(chǎn)生擠壓劃傷，最終引發(fā)皮帶撕裂。

4）硬質(zhì)煤塊劃傷。當(dāng)皮帶表面裝載的煤礦物料硬度比較大，且遇到比較尖銳的煤塊時(shí)，輸送機(jī)工作時(shí)就有可能會(huì)被硬質(zhì)尖銳的煤塊劃傷。這種情況最容易出現(xiàn)在煤礦物料裝載階段，由于煤礦物料進(jìn)入皮帶輸送機(jī)時(shí)存在一定的高度差，物料在落入到皮帶表面時(shí)會(huì)存在較大的沖擊力，當(dāng)煤礦物料比較尖銳時(shí)，可能會(huì)直接戳穿皮帶。

2 皮帶防撕裂檢測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示為皮帶防撕裂檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置可以劃分成為三大部分，即皮帶圖像捕捉、皮帶裂紋檢測(cè)、輔助模塊。其中皮帶圖像捕捉模塊是對(duì)皮帶底部區(qū)域的表面圖像進(jìn)行獲取，在獲取皮帶底面高清圖像后，將圖像傳輸至皮帶裂紋檢測(cè)模塊，通過(guò)檢測(cè)模塊中設(shè)置的檢測(cè)程序算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)皮帶表面可能存在的裂紋。一旦檢測(cè)發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在裂紋，則系統(tǒng)會(huì)向外發(fā)出警報(bào)并對(duì)帶式輸送機(jī)做自動(dòng)停機(jī)處理。輔助模塊的作用是為工業(yè)相機(jī)獲取高清圖像提供良好的環(huán)境條件。

圖1 皮帶防撕裂檢測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)

3 皮帶防撕裂檢測(cè)裝置的工作原理及流程

3.1 防撕裂裝置的基本工作原理

裝置的基本工作原理為：通過(guò)圖像采集系統(tǒng)收集得到皮帶表面的圖像，利用圖像處理技術(shù)對(duì)皮帶表面圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)皮帶表面可能存在的裂紋。一旦真正發(fā)現(xiàn)裂紋，立即發(fā)出警報(bào)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)停機(jī)處理。防止小裂紋不斷擴(kuò)大成為大裂紋，最終導(dǎo)致皮帶發(fā)生嚴(yán)重撕裂。

圖像檢測(cè)原理為：利用激光器發(fā)出激光打在皮帶表面，如果皮帶表面不平整，存在小裂紋就會(huì)導(dǎo)致激光條紋出現(xiàn)變形，其變形的程度反映了皮帶裂紋的大小。利用專(zhuān)業(yè)的工業(yè)像機(jī)拍攝皮帶表面的激光條紋，如果皮帶沒(méi)有任何裂紋，那么激光條紋必然是連續(xù)的、平順的。相反，如果皮帶表面存在裂紋，那么激光條紋必然是斷裂的、跳躍的?；谠撛砜梢詫?shí)現(xiàn)皮帶表面裂紋的檢測(cè)。

裝置的檢測(cè)精度直接決定了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。對(duì)于圖像檢測(cè)精度而言，可以將其劃分成為兩個(gè)層面，分別為橫向檢測(cè)精度和縱向檢測(cè)精度。只要工業(yè)像機(jī)拍攝得到的圖像能夠完全覆蓋皮帶橫向方向，那么就能保證橫向檢測(cè)精度?？v向檢測(cè)精度與圖像長(zhǎng)度、拍攝頻率有關(guān)系，只要圖像長(zhǎng)度足夠且拍攝頻率能夠跟上皮帶運(yùn)行速度，就能夠確?？v向檢測(cè)精度。

3.2 防撕裂裝置基本工作流程

1）圖像捕捉?；诠I(yè)相機(jī)對(duì)皮帶表面圖像進(jìn)行捕捉，圖像捕捉頻率對(duì)縱向檢測(cè)精度有重要影響。為確保防撕裂裝置的檢測(cè)精度和結(jié)果的可靠性，裝置每秒鐘需要捕捉30張皮帶表面圖像。

2）圖像初步處理。對(duì)圖像進(jìn)行初步處理的作用是讓捕捉到的圖像更方便提取激光條紋特征，降低其他因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，提升檢測(cè)精度。具體而言，圖像初步處理主要包含三方面的工作：其一為對(duì)捕捉到的圖像格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換；其二為對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理；其三為分割激光影像區(qū)域。

3）提取激光條紋中心。該環(huán)節(jié)對(duì)檢測(cè)結(jié)果精度有重要影響，因?yàn)楸狙b置主要是基于激光條紋中心來(lái)判斷皮帶表面是否存在裂紋。

4）分析光條中心特點(diǎn)。將提取得到的激光條紋中心進(jìn)行分析，判斷激光條紋相鄰像素之間的距離、光條中心曲率以及光條偏移距離等參數(shù)，并將其與系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，以判斷是否存在裂紋。

5）判斷結(jié)果響應(yīng)。如果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)表面不存在任何裂紋，則不采取任何措施。一旦檢測(cè)發(fā)現(xiàn)皮帶表面存在裂紋，一方面發(fā)出警報(bào)提醒工作人員，同時(shí)會(huì)強(qiáng)制對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理。

4 皮帶防撕裂裝置硬件和軟件功能的實(shí)現(xiàn)

4.1 防撕裂裝置硬件構(gòu)成

1）皮帶圖像捕捉硬件模塊。該部分硬件主要包括工業(yè)相機(jī)、激光器以及底座，在底座上安裝工業(yè)相機(jī)和激光器。選用的是NF-701L-660T-100-75型激光器，如圖2-1所示為激光器的實(shí)物圖。激光發(fā)射的信號(hào)與皮帶運(yùn)行方向保持垂直，其作用是輔助測(cè)量皮帶裂紋情況。通過(guò)1MV-VS078FC型工業(yè)相機(jī)捕捉皮帶圖像，使用高清鏡頭能夠非常清晰地獲得皮帶表面的圖像，為檢測(cè)皮帶表面裂紋奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如圖2-2所示為工業(yè)相機(jī)實(shí)物圖。

2）皮帶裂紋檢測(cè)硬件模塊。該部分硬件主要包括圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，其中選用的是MV-1394PCI1394A型圖像采集卡，具有速度快、精度高的特點(diǎn)，如圖2-3所示為圖像采集卡的實(shí)物圖。計(jì)算機(jī)處理器為英特爾品牌，四核CPU、8 GB內(nèi)存，高性能計(jì)算機(jī)能夠確保整個(gè)圖像處理過(guò)程的實(shí)時(shí)性。

圖2 皮帶防撕裂裝置主要硬件實(shí)物圖

3）輔助硬件模塊。該部分硬件主要包括密封罩、高壓吹掃機(jī)以及LED燈光，作用是為圖像捕捉和處理過(guò)程提供一個(gè)優(yōu)良的環(huán)境，提升皮帶防撕裂效果。

4.2 防撕裂裝置軟件功能的實(shí)現(xiàn)

軟件功能通過(guò)VC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，軟件系統(tǒng)能夠?qū)z測(cè)得到的皮帶裂紋圖像展示給操作人員，同時(shí)向外發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)停機(jī)。如圖3所示為皮帶防撕裂裝置軟件功能流程圖。從圖中可以看出，基于工業(yè)相機(jī)捕捉皮帶表面圖像，對(duì)圖像進(jìn)行初步處理后，通過(guò)編寫(xiě)的圖像處理算法對(duì)圖像進(jìn)行分析，主要是對(duì)相鄰像素之間的間距、光條中心曲率、光條偏移距離等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。如果發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)超過(guò)了設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就判斷該位置存在裂紋。一旦檢測(cè)到皮帶存在裂紋，一方面會(huì)將相關(guān)圖像展示到顯示屏中給操作人員查看，并發(fā)出警報(bào)。另一方面，系統(tǒng)會(huì)將帶式輸送機(jī)進(jìn)行自動(dòng)停機(jī)處理，避免裂紋進(jìn)一步拓展導(dǎo)致整條皮帶出現(xiàn)撕裂。整個(gè)處理過(guò)程可在30 ms時(shí)間內(nèi)完成，完全能夠滿(mǎn)足工業(yè)使用中的實(shí)時(shí)性要求。

圖3 防撕裂裝置軟件功能流程圖

5 結(jié)論

本文研究的皮帶防撕裂裝置能夠?qū)ζП砻娲嬖诘牧鸭y進(jìn)行檢測(cè)，可供工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，避免小裂紋引發(fā)嚴(yán)重撕裂，可有效保障帶式輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。