宋俊斌
(山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司,山西 晉城048002)
山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦15 號(hào)煤層位于太原組底部,K2 灰?guī)r之下,厚1.64~7.30m,平均厚度3.86m。運(yùn)輸大巷沿15 號(hào)煤層底板掘進(jìn),屬于全煤巷道,由于服務(wù)年限長(zhǎng),且煤層較、裂隙發(fā)育,巷道底板易引起變形,帶式輸送機(jī)在該巷道內(nèi)沿底板布置。隨著近來(lái)產(chǎn)量不斷增大,運(yùn)輸系統(tǒng)承擔(dān)任務(wù)越來(lái)越重,在運(yùn)輸大巷易變形、濕度大、粉塵濃度高等惡劣環(huán)境影響下,帶式輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)跑偏、撒料等故障,加上維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí),極易出現(xiàn)停機(jī)維修、生產(chǎn)停滯等情況,制約了煤礦高效采出。因此,深入分析研究帶式運(yùn)輸機(jī)主要故障類型、產(chǎn)生因素等,引入智能化手段,針對(duì)性地提出解決辦法,對(duì)提高煤礦生產(chǎn)效率有重要意義。
如圖1 所示,15 號(hào)煤運(yùn)輸大巷所采用帶式運(yùn)輸機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、垂直拉緊裝置、滾筒組、托輥組、運(yùn)輸帶、清掃器、安全保護(hù)裝置等構(gòu)成。
整個(gè)運(yùn)輸機(jī)的動(dòng)力有驅(qū)動(dòng)裝置提供,動(dòng)力通過(guò)滾筒,在摩擦力的作用下,皮帶圍繞滾筒及托輥旋轉(zhuǎn),拉緊裝置將皮帶拉緊,托輥的承載使皮帶呈U 型狀態(tài),煤炭在皮帶上隨其同步向前運(yùn)動(dòng),直至指定位置。帶式運(yùn)輸機(jī)整體依靠機(jī)架提供承載力,機(jī)架鋪設(shè)在運(yùn)輸大巷底板,隨大巷底板起伏而平行運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖1 帶式運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
經(jīng)過(guò)對(duì)15 煤運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)連續(xù)6 個(gè)月的故障監(jiān)測(cè),匯總數(shù)據(jù)得出帶式運(yùn)輸機(jī)的主要故障類型有皮帶跑偏、撒料等6 種,所占比例如圖2 所示。其中,跑偏、撒料占到故障率的65.3%,成為影響運(yùn)輸效率的主要因素。
1)皮帶跑偏故障率最高,占到37%。正常運(yùn)行運(yùn)行狀態(tài)下,皮帶呈現(xiàn)為中軸對(duì)稱的U 型,在托輥支撐下載重運(yùn)行,故障表現(xiàn)為皮帶以非U 型姿態(tài)脫離托輥支撐,懸空或遠(yuǎn)離支架運(yùn)行,往往伴隨撒料、磨損等其他損害,嚴(yán)重時(shí)可造成摩擦起熱、引發(fā)火災(zāi),造成事故或人員傷亡。
圖2 帶式運(yùn)輸機(jī)故障率發(fā)生對(duì)比圖
2)撒料故障率排第二,占到28.3%。運(yùn)輸機(jī)撒料的主要原因有2 個(gè):一是皮帶跑偏,物料因失去支承載而撒落;二是皮帶懸空,因15 煤運(yùn)輸大巷底板變形較大,運(yùn)輸機(jī)機(jī)架形成局部低洼、局部上拱,皮帶在張緊力的作用下形成局部懸空、局部過(guò)緊,導(dǎo)致撒料。
3)異常噪音故障率排第三,占到21.2%。帶式運(yùn)輸機(jī)構(gòu)成部件眾多、且長(zhǎng)期在高粉塵環(huán)境中運(yùn)行,軸承或軸承座極易損壞,進(jìn)而產(chǎn)生異常噪音。該類故障對(duì)運(yùn)輸效率影響不大,但往往預(yù)示著大的故障即將發(fā)生,必須及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)。
4)皮帶打滑故障率占比6.9%。皮帶打滑時(shí)因?yàn)槠c滾筒間產(chǎn)生速度差,由滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦造成。主要原因是張緊裝置配重不夠造成皮帶張緊力不足,或是皮帶清掃故障導(dǎo)致濕潤(rùn)物料進(jìn)入滾筒與皮帶間隙,再或者是因?yàn)槠н^(guò)載。
5)皮帶斷裂故障率占3.9%。該故障發(fā)生率低但危害較重,一旦發(fā)生,運(yùn)輸機(jī)將直接停車,甚至造成皮帶報(bào)廢,斷裂處集中在滾軸或皮帶接口處,主要誘因是皮帶老化失修、轉(zhuǎn)載點(diǎn)刺穿等。
6)減速機(jī)斷軸故障率占2.7%。減速機(jī)斷軸發(fā)生常見位置為減速機(jī)第一級(jí)垂直齒輪軸的高速軸上,造成高速軸斷裂的主要原因是高速軸設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致疲勞損壞,進(jìn)而造成斷軸。
針對(duì)不同故障類型,分別引入不同的傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)故障數(shù)據(jù),如圖3 所示,經(jīng)過(guò)智能控制主機(jī)判斷后,發(fā)出相應(yīng)指令,實(shí)現(xiàn)智能輔助控制。
1)皮帶跑偏。在運(yùn)輸機(jī)皮帶兩側(cè),按照左右交替的順序,每隔50m 布置皮帶跑偏傳感器1 個(gè),通過(guò)設(shè)置極限值來(lái)控制皮帶跑偏后的處理對(duì)策,跑偏距離較小可發(fā)出警報(bào)提示人工查驗(yàn),距離大時(shí)可直接控制運(yùn)輸機(jī)停車。
2)撒料。在皮帶底部每隔一段距離安裝稱重傳感器1 個(gè),以工作面處1 號(hào)傳感器為初始值,在連續(xù)長(zhǎng)度內(nèi)分別與1 號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)比,實(shí)現(xiàn)撒料數(shù)據(jù)的自我分析,相鄰兩傳感器數(shù)據(jù)差異較大時(shí),控制主機(jī)發(fā)出警報(bào),并顯示位置數(shù)據(jù),提示檢修。
3)皮帶打滑。滾筒通過(guò)靜摩擦產(chǎn)生牽引力帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn),皮帶打滑將極大地降低牽引力,在滾筒處,設(shè)置速度傳感器,采集皮帶與滾筒的相對(duì)運(yùn)行速率,通過(guò)判斷該數(shù)值的大小來(lái)判斷皮帶是否打滑。
4)皮帶撕裂、減速機(jī)斷軸2 種故障發(fā)生率低,且發(fā)生時(shí)運(yùn)輸機(jī)本身的拉力感應(yīng)裝置可自行判斷停車,不再引入其他智能控制單元。
圖3 帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)
智能控制系統(tǒng)由集中控制系統(tǒng)和傳感器檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成,前者是智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,主要用于相關(guān)數(shù)據(jù)的分析判斷,發(fā)出控制指令;后者主要用于采集接收來(lái)自傳感器反饋的重量、速度、煙霧、跑偏、堆煤等數(shù)據(jù),傳感器檢測(cè)系統(tǒng)連接皮帶速度、跑偏、堵煤、堆煤、皮帶撕裂等故障監(jiān)測(cè)傳感器。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),智能控制系統(tǒng)要保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)可靠,首先要保證其本身配件的穩(wěn)定性、可靠性,這決定整個(gè)智能控制系統(tǒng)的性能。15 煤運(yùn)輸大巷環(huán)境較為惡劣,考慮選用穩(wěn)定性較高、兼容性好的西門子S7-1214PLC 型主控制器。系統(tǒng)硬件配置設(shè)計(jì)主要有PLC 控制系統(tǒng)、運(yùn)輸機(jī)功率的監(jiān)測(cè)、各個(gè)傳感器及變頻器等。帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的組成情況如圖4 所示。根據(jù)圖示可知,PLC 控制器處于智能控制系統(tǒng)的核心地位,在接收上位機(jī)過(guò)來(lái)的控制命令后,控制變頻器輸出,實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式運(yùn)輸機(jī)電機(jī)的間接控制;速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶式運(yùn)輸機(jī)的速率,實(shí)時(shí)向PLC 控制器反饋;皮帶秤即稱重傳感器,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)下運(yùn)輸煤量,并實(shí)時(shí)向PLC 發(fā)送信息;功率采集模塊主要收集帶式運(yùn)輸機(jī)電機(jī)及變頻器的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)向PLC 控制器反饋;其余各項(xiàng)保護(hù)類傳感器,根據(jù)其自身功能,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸機(jī)是否產(chǎn)生跑偏、打滑、撕裂等其他故障,且將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向PLC 控制器反饋。PLC 控制器將上述所有傳感器單元所反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理,之后上傳至上位機(jī)系統(tǒng),工作人員可隨時(shí)通過(guò)操控上位機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
圖4 帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)組成
通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),得出帶式運(yùn)輸機(jī)發(fā)生故障的故障類型、主要特點(diǎn)、表現(xiàn)形式,以及主要故障類型的對(duì)應(yīng)起因。通過(guò)智能控制系統(tǒng)的引入,實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶式運(yùn)輸機(jī)主要故障類型的智能化預(yù)警,防患于未然,大大降低了故障發(fā)生的頻率,降低了維修費(fèi)用,減少了人工成本,直接提高了井下運(yùn)輸效率。但在引入智能化控制系統(tǒng)的同時(shí),應(yīng)加大設(shè)備監(jiān)管力度、加強(qiáng)人員管理,強(qiáng)化人員培訓(xùn)、技能操作,從根本上降低皮帶運(yùn)輸機(jī)故障發(fā)生概率。