高飛

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司 山西省長治市 047100）

近年來，隨著煤礦開采量和開采強度的不斷增加，這就意味著煤礦井下物料運輸強度變得越來越大，皮帶機是最常用的煤礦物料輸送設(shè)備，在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。因為皮帶機在實際使用過程中，不僅僅是牽引機構(gòu)，還是重要的承載機構(gòu)，貫穿皮帶機的實際全長，用量比較大，成本也比較高。皮帶機是由機架結(jié)構(gòu)、托輥、膠帶、驅(qū)動滾筒、電動機等部分組成，在長時間運行過程中，皮帶機非常容易出現(xiàn)不同程度的損傷和破壞，最常見的就是托輥故障、輸送帶撕裂、機架與基礎(chǔ)連接松動、機架螺栓松動等問題，這些問題都會影響皮帶機的正常運行，會產(chǎn)生比較嚴重的振動或噪聲，甚至有可能導(dǎo)致膠帶局部溫度過高引起燃燒，從而引起煤礦事故。比如發(fā)生在2020 年9 月27 日的重慶松藻煤礦重大火災(zāi)事故，造成16 人死亡42 人受傷，直接經(jīng)濟損失達到了2501 萬元，主要原因就是煤礦井下皮帶機托輥被卡死，內(nèi)部粉煤沉淀較多，導(dǎo)致局部溫度過高從而引燃輸送帶，最終造成重大煤礦事故。從煤礦安全角度分析，迫切要求對皮帶機進行實時檢測，對皮帶機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、皮帶機周圍工況、皮帶機的運行情況等數(shù)據(jù)進行采集并自動檢測，及時發(fā)現(xiàn)事故苗頭并采取措施，避免煤礦事故的發(fā)生。

本文通過對煤礦皮帶機結(jié)構(gòu)和特點進行分析，提出了一種煤礦皮帶機自動檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對皮帶機運行過程中進行檢測，準確采集皮帶機的運行狀況，上傳到上位機系統(tǒng)中進行智能分析，及時發(fā)現(xiàn)潛在的事故苗頭并進行報警提醒維修，可以有效避免煤礦事故的發(fā)生。對于保證煤礦安全生產(chǎn)，提高煤礦的經(jīng)濟效益具有非常重要的作用。

1 煤礦皮帶機常見故障類型與檢測點分析

1.1 煤礦皮帶機基本結(jié)構(gòu)

煤礦皮帶機是最常見的一種物料輸送設(shè)備，也是散料輸送中最常用的機械設(shè)備。隨著帶式輸送機技術(shù)難題的解決，長距離、大運量、高速帶式輸送機得到了廣泛的應(yīng)用，在運行過程中也出現(xiàn)了越來越多的問題，使得煤礦現(xiàn)場設(shè)備的巡視范圍和工作量變大。釆用傳統(tǒng)的人工巡視，很難做到全面準確巡檢，將給設(shè)備和煤礦安全生產(chǎn)帶來各種安全隱患。如圖1 所示為皮帶機基本結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖1： 皮帶機結(jié)構(gòu)組成示意圖

如圖1 所示。皮帶機主要由傳動滾筒、輸送帶、托輥、機架、改向滾筒、張緊裝置以及電動機等部件組成。通過電動機帶動減速器與傳動滾筒連接，將動力傳遞給傳動滾筒，拉動輸送帶進行運動。由位于皮帶機下方的托輥進行支撐，保證輸送帶有一定的撓度，避免引起太大的懸垂。皮帶機本身結(jié)構(gòu)并不是特別復(fù)雜，但是當皮帶機距離非常長，運量比較大、運行時間長時非常容易引起皮帶機故障，尤其是在煤礦井下復(fù)雜多樣的工況下，在皮帶機的周圍非常容易出現(xiàn)大量的煤粉或者堆煤問題，從而具備燃燒的條件極易引起輸送帶的燃燒。

1.2 煤礦皮帶機結(jié)構(gòu)常見故障類型

由于煤礦皮帶機屬于常見的機電設(shè)備，在長期運行的過程中會出現(xiàn)各種設(shè)備運行故障。隨著煤礦開采深度的不斷增加，皮帶機的運行特點逐漸是長距離、大運量，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，皮帶機關(guān)鍵部件容易損壞。比如常見的皮帶機托輥卡死、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)礦山機電設(shè)備事故。根據(jù)異常發(fā)生的位置不同大致可以對皮帶機的異常運行分為三大類，即機頭部位、機身部位和機尾部位異常。

（1）機頭部異常分析。電動機受粉塵的影響導(dǎo)致內(nèi)部電阻增大引起的局部高溫；減速器潤滑不良引起的局部高溫；驅(qū)動滾筒發(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）機身部異常分析。機身部是以輸送帶和托輥做為主要構(gòu)件。輸送帶的損壞也是常見的一種帶式輸送機異常情況，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、輸送帶局部磨損嚴重等異常情況；托輥常發(fā)生的異常情況有：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。

（3）機尾部異常分析。機尾部的異常主要是以結(jié)構(gòu)的運行異常為主，包括：滾筒的開裂、卸料故障、支撐座與基礎(chǔ)的連接破壞、筒體包膠磨損嚴重等異常，這些異常都會引起帶式輸送機在卸料端對輸送帶的磨損加劇，出現(xiàn)局部高溫。

2 自動檢測系統(tǒng)總體技術(shù)方案設(shè)計

2.1 自動檢測系統(tǒng)設(shè)計要求

根據(jù)皮帶機的實際運行檢測要求，從維護皮帶機正常運行角度分析，不僅需要對皮帶機結(jié)構(gòu)進行實時檢測，還需要對皮帶機周圍的環(huán)境參數(shù)信息進行檢測，具體參數(shù)信息包括皮帶機周圍空氣中的有毒有害氣體、皮帶機附近的煤粉堆積情況等，如表1 所示為煤礦井下有毒有害氣體檢測濃度要求與反應(yīng)時間。

表1： 井下環(huán)境氣體檢測技術(shù)指標

為此對皮帶機自動監(jiān)測系統(tǒng)提出如下要求：

（1）準確定點采集皮帶機運行參數(shù)；

（2）對關(guān)鍵位置點進行實時在線檢測，識別速度快，精度高；

（3）自動檢測系統(tǒng)的主要性能指標與技術(shù)參數(shù)需要滿足巡檢的要求；

（4）自動檢測系統(tǒng)能夠布置安裝在皮帶機的一側(cè)并進行固定。

（5）自動檢測系統(tǒng)能夠適應(yīng)煤礦井下復(fù)雜工況的要求。

通過以上皮帶機常見運行異常的總結(jié)發(fā)現(xiàn)，皮帶機關(guān)鍵零部件的異常故障往往會表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，比如發(fā)熱、放光、聲音異常等，所以對皮帶機運行異常進行檢測的關(guān)鍵是準確把握發(fā)出的物理信號，對物理信號進行采集，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行處理和分析。

2.2 總體技術(shù)方案

為了實現(xiàn)對皮帶機的實時自動檢測，設(shè)計出巡檢裝置模塊對皮帶機進行智能檢測，如圖2 所示為在線檢測裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖2： 皮帶機自動檢測系統(tǒng)方案組成圖

從圖2 中可知，皮帶機自動檢測系統(tǒng)方案主要由檢測裝置本體、安裝吊鉤、以及安裝在不同位置的電子定位標簽組成。通過布置在輸送帶附近的自動檢測裝置本體采集皮帶機的運行狀況，并且檢測裝置本體可以選擇固定在皮帶機側(cè)方，也可以將其懸掛在鋼絲繩上，在皮帶機機頭和機尾位置安裝導(dǎo)向輪，利用猴車的原理實現(xiàn)循環(huán)自動檢測，從源頭控制，實時檢測識別皮帶上的大塊物料和長桿利器，如大塊矸石、錨桿、道木、鐵管等，發(fā)現(xiàn)異常，及時報警、停車，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由人工監(jiān)視視頻圖像、人工判斷故障報警的模式，安全、可靠、準確率高。

由于皮帶機距離比較長，且在長距離運行過程中某個位置出現(xiàn)異常需要對其進行精確定位，便于及時進行處理和維修，為此設(shè)計了故障點自動定位系統(tǒng)。采用的是在每個承載托輥處的機架和輸送帶邊緣處等間隔安裝無源電子標簽，每臺自動檢測裝置本體內(nèi)部安裝有多個讀卡裝置，根據(jù)識別的電子標簽確定當前這臺自動檢測裝置目前所在的具體位置，當某個位置出現(xiàn)異常時，將會直接發(fā)送到上位機端，進而可以解決皮帶機巡檢過程中托輥和輸送帶對應(yīng)位置的識別問題。當皮帶機某個位置出現(xiàn)異常時，此時可以通過電子定位標簽發(fā)送異常信息到讀卡器，隨后由讀卡器對信息進行放大和處理，并且由自身搭載的無線通訊模塊將信息發(fā)送到上位機端，在上位機端可以直接定位異常位置并且對異常情況進行自動診斷和分析，及時報警提醒維修。

3 傳感器模塊與軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件模塊組成

皮帶輸送機自動檢測系統(tǒng)的核心是自動檢測模塊，其中自動檢測模塊的基本功能是對皮帶輸送機的異常進行采集并對周圍環(huán)境參數(shù)信息進行采集，具體包括溫度、煙霧和有毒有害氣體等數(shù)據(jù)。在自動檢測模塊內(nèi)部搭載有溫度傳感器、煙霧傳感器和氣體傳感器，用于檢測皮帶輸送機結(jié)構(gòu)部分和周圍環(huán)境中的溫度參數(shù)、煙霧濃度參數(shù)和氣體濃度參數(shù)。其中的溫度傳感器用于采集皮帶輸送機在運輸過程中膠帶、托輥和減速器等部件的溫度信息；氣體傳感器具體包括CH傳感器、CO 傳感器、HS 傳感器等，對煤礦巷道中的有毒有害氣體或可燃性氣體進行檢測，防止發(fā)生可燃性氣體超標引起爆炸；煙霧傳感器用于采集在煤礦皮帶輸送機運行過程中環(huán)境中的粉塵煙霧濃度，避免煙霧濃度過大引起粉塵爆炸；使用外置攝像頭對皮帶輸送機運行狀況、托輥運行狀況進行檢測，由內(nèi)部的大容量鋰電池對傳感器和攝像頭進行供電。采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理器進行分析，并由內(nèi)部搭載的無線通訊模塊建立與上位機之間的聯(lián)系，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 異常點定位算法流程

采用射頻識別技術(shù)對皮帶輸送機異常位置點進行準確定位，從而便于為后期設(shè)備的維修提供準確的參考依據(jù)。執(zhí)行過程為：首先對電子標簽進行編號，利用讀寫設(shè)置軟件UHF Reader 將含有坐標位置的編號信息寫入電子標簽。RFID 技術(shù)可識別高速移動目標，并且可同時識別多個不同標簽，當自動檢測單元靠近所布置的無源電子標簽時可分別接收來自輸送帶與托輥機架上標簽反饋的位置信息。托輥機架上的位置信息作為定位主參考，與檢測得到的數(shù)據(jù)結(jié)合，并通過控制器與無線通訊系統(tǒng)傳輸至上位機，比對位置信息庫實時定位機器人在巷道內(nèi)的坐標，方便工作人員查看；輸送帶上的位置信息作為定位輔助參考，當監(jiān)測到故障發(fā)生時，將該位置信息進行傳遞，幫助工作人員快速定位故障點。

首先進行系統(tǒng)欄初始化，對整個檢測系統(tǒng)程序進行動態(tài)刷新，隨后通過讀寫器搜索標簽信號，識別貼在輸送帶和托輥上的標簽，當檢測到故障信號時將會對比數(shù)據(jù)庫，自動定位托輥和輸送帶的故障點的位置，通過無線通訊模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機端，在上位機端完成對異常點的檢測和故障識別。

3.3 系統(tǒng)運行軟件控制系統(tǒng)

整個系統(tǒng)在運行過程中，將反復(fù)執(zhí)行系統(tǒng)的主程序，通過對端口、定時器以及通訊接口進行初始化，隨后啟動定時器，并采集輸入信號，根據(jù)實際的輸入信號選擇對應(yīng)的功能模塊，并進行控制和有關(guān)的操作。數(shù)據(jù)處理器是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心組件，主要用以處理溫度、聲音、煙霧傳感器以及攝像機探測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)傳感器信息、視頻監(jiān)控信息以及帶式輸送機運行狀態(tài)，乃至電動機參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理器對監(jiān)測數(shù)據(jù)壓縮處理，通過井下交換機傳輸給地面監(jiān)控中心，監(jiān)控人員可充分掌握井下帶式輸送機運行狀況。

4 現(xiàn)場應(yīng)用與效果

為了驗證設(shè)計的煤礦皮帶輸送機自動檢測系統(tǒng)的實際運行效果和檢測精度，對自動檢測系統(tǒng)在山西大同煤礦進行現(xiàn)場安裝和試運行。將硬件系統(tǒng)安裝在皮帶輸送機側(cè)上方，對皮帶輸送機進行自動檢測，如表2 所示為自動檢測系統(tǒng)在2020 年12 月檢測得到的數(shù)據(jù)。

表2： 現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)表

通過自動檢測系統(tǒng)的自動導(dǎo)出功能可以得到2020 年的皮帶輸送機的運行狀況，通過現(xiàn)場運行可以得出采用自動檢測系統(tǒng)可以準確采集皮帶輸送機的故障信息，可以對異常位置點進行準確定位，識別準確度高達99.3%，精確報警率為94.1%，響應(yīng)時間＜2s，采用自動檢測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測可以使得工作量減少85%-95%，大大降低工人的勞動強度，保證煤礦皮帶輸送機的正常穩(wěn)定運行。如圖3 所示為現(xiàn)場自動檢測效果圖。

圖3： 現(xiàn)場實驗與檢測效果

從圖3 中可以看出，自動檢測系統(tǒng)準確捕捉皮帶輸送機異常點的溫度信號和位置信號，對其故障進行準確判斷并進行定位，有效發(fā)現(xiàn)潛在事故苗頭，便于及時作出反應(yīng)解決問題，避免煤礦事故的發(fā)生。此外，采用自動檢測系統(tǒng)可以節(jié)省人力成本的投入，并實現(xiàn)全天24 小時無人監(jiān)控，對于保證煤礦安全生產(chǎn)，提高皮帶輸送機的運行效率具有非常的參考意義，取得良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟價值。

5 結(jié)論

針對煤礦皮帶輸送機傳統(tǒng)人工檢測存在效率低、成本高、結(jié)果不穩(wěn)定以及準確度差等問題，本文通過對煤礦皮帶輸送機常見故障進行分析，并結(jié)合煤礦皮帶輸送機異常檢測要求，提出了一種煤礦皮帶輸送機自動檢測系統(tǒng)，將防爆傳感器、無線通訊模塊、鋰電池和電路等集成為自動檢測單元，并采用射頻識別技術(shù)建立了異常定位系統(tǒng)。通過現(xiàn)場應(yīng)用表明：本次設(shè)計的這套皮帶輸送機自動檢測系統(tǒng)可以準確識別皮帶輸送機常見異常并進行報警，識別準確度達到99.3%，響應(yīng)時間＜2s，對設(shè)備故障點可以精確定位，有效避免事故的發(fā)生，取得良好的應(yīng)用效果和巨大的經(jīng)濟價值。