劉永杰

（汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)， 山西 靈石 031302）

1 帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)及故障分析

帶式輸送機(jī)托輥布置間距在1 m 左右，整個(gè)斷面布置至少3 個(gè)托輥，鋪設(shè)1 km 長(zhǎng)的帶式輸送機(jī)使用的托輥數(shù)量達(dá)到3 000 個(gè)。隨著礦井開拓范圍以及采掘深度增加，部分礦井單條帶式輸送機(jī)鋪設(shè)長(zhǎng)度超過10 km，沿線鋪設(shè)的托輥數(shù)量超過3 萬個(gè)，采用人工巡檢方式時(shí)托輥故障排查難度大。帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)托輥常見故障包括有卡澀、損壞、變形甚至異常高溫著火等故障[1-3]，托輥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，托輥是由兩個(gè)軸承構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，托輥的故障常與軸承密切相關(guān)。

圖1 托輥結(jié)構(gòu)示意圖

托輥故障檢查一般通過聲學(xué)、熱傳導(dǎo)以及振動(dòng)頻率等實(shí)現(xiàn)。托輥正常運(yùn)行時(shí)有其特定的聲發(fā)射模式，可通過分析聲發(fā)射信號(hào)實(shí)現(xiàn)托輥故障預(yù)警，但是存在信號(hào)分離以及感興趣頻率處理困難問題；當(dāng)托輥運(yùn)行時(shí)摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，進(jìn)而導(dǎo)致托輥局部結(jié)構(gòu)單元溫度增高，當(dāng)托輥故障時(shí)會(huì)伴隨有異常摩擦、溫度升高特征，可使用不同溫度閾值評(píng)估托輥故障狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)托輥與鄰近托輥溫度相差5 ℃以上時(shí)托輥往往伴隨有故障或者異常磨損問題；托輥運(yùn)行時(shí)有其獨(dú)特的振動(dòng)頻率，當(dāng)振動(dòng)頻率出現(xiàn)異常時(shí)即可實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，但是也面臨振動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)、分離難度大等問題[4-5]。由于溫度監(jiān)測(cè)相對(duì)容易且分析相對(duì)簡(jiǎn)單，提出采用紅外攝像機(jī)獲取帶式輸送機(jī)沿線托輥溫度，并通過分析托輥溫度分布實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。

2 故障預(yù)警方案

2.1 巡檢方式

由于托輥固定在帶式輸送機(jī)機(jī)架上，位置保持不變，若實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)沿線各位置托輥溫度監(jiān)測(cè)，可采取下述方案：在帶式輸送機(jī)沿線托輥上布置傳感器，實(shí)現(xiàn)托輥溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，此種監(jiān)測(cè)方式存在傳感器數(shù)量多、通信困難等問題，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)難度極大；在帶式輸送機(jī)托輥沿線布置感溫光纖，通過感溫光纖實(shí)現(xiàn)沿線溫度監(jiān)測(cè)，此種方式存在感溫光纖容易損壞、溫度異常點(diǎn)定位困難以及感溫光纖鋪設(shè)難度大、后續(xù)維護(hù)難度高等問題；采用紅外攝像機(jī)沿著帶式輸送機(jī)往返移動(dòng)，通過紅外攝像機(jī)獲取托輥位置紅外圖像并通過紅外圖形分析，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)以及故障預(yù)警。提出在帶式輸送機(jī)沿線布置巡檢機(jī)器人并在機(jī)器人機(jī)身上布置紅外攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)沿線托輥溫度監(jiān)測(cè)，具體巡檢機(jī)器人在帶式輸送機(jī)沿線布置情況如圖2所示。

圖2 巡檢機(jī)器人布置示意圖

具體使用的巡檢機(jī)器人架構(gòu)如圖3 所示。巡檢機(jī)器人布置不受地形影響，當(dāng)適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境需要；同時(shí)巡檢機(jī)器人可高速運(yùn)行，提升檢測(cè)效率并減少檢查時(shí)間。

圖3 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)及布置示意圖

2.2 托輥溫度監(jiān)測(cè)

帶式輸送機(jī)托輥溫度紅外熱成像監(jiān)測(cè)如圖4 所示，具體紅外圖像獲取分為兩個(gè)部分：第一部分是通過相應(yīng)的光電探測(cè)器、光學(xué)組件等將探測(cè)目標(biāo)的紅外熱輻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)大小與紅外熱輻射波長(zhǎng)成正相關(guān)；第二部分是通過對(duì)應(yīng)的圖像電路板處理芯片，將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并以視頻圖像方式在監(jiān)視器上顯示，獲取可表征目標(biāo)體溫度分布的紅外圖像。

圖4 托輥溫度紅外熱成像監(jiān)測(cè)示意圖

巡檢機(jī)器人上配備型號(hào)DJIZenmuseXT 雙光譜紅外熱成像儀，該攝像機(jī)幀率為9 Hz、鏡頭為19 mm，可在高速運(yùn)行情況下捕捉高清的紅外圖像；采用的紅外熱成像儀隨機(jī)配備有非制冷的VOx 微測(cè)輻射計(jì)，可獲取7.5～13.5 m 范圍內(nèi)的光譜，溫度監(jiān)測(cè)范圍在-20～650 ℃。

2.3 通信方式

2.3.1 巡檢機(jī)器人通信方式

通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)紅外圖像傳輸?shù)臉蛄海型ㄐ啪邆溆谐杀镜?、傳輸線少優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離通信中應(yīng)用較為廣泛，具體常用的三種串行通信方式特性對(duì)比情況見表1。

表1 不同串行通信方式比對(duì)表

由于帶式輸送機(jī)沿線環(huán)境惡劣、干擾因素多以及數(shù)據(jù)采集多等，為此通信方式選用RS-485 方式，具體各傳感器取到的數(shù)據(jù)通過RS-485 方式并按照Modus-RTU 通信協(xié)議傳輸給巡檢機(jī)器人機(jī)載PLC，PLC 通過無線方式將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)。具體巡檢機(jī)器人上布置的各傳感器類型、技術(shù)規(guī)格如表2 所示。具體信息采集通信過程如圖5 所示。

表2 傳感器技術(shù)參數(shù)

圖5 信息采集示意圖

2.3.2 無線通信

無線通信是巡檢機(jī)器人控制器、紅外熱成像儀與控制器、上位機(jī)間的通信方式，無線通信質(zhì)量、速率會(huì)直接影響托輥故障預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行效果。Wi-Fi技術(shù)具備有傳輸效率快、傳輸數(shù)據(jù)類型多等優(yōu)點(diǎn)，為此無線通信選用Wi-Fi。

在帶式輸送機(jī)沿線布置多個(gè)無線通信分站以便實(shí)現(xiàn)無線信息全區(qū)域覆蓋，各無線通信分站間使用有線方式傳輸，無線通信分站使用光纖與上位機(jī)通信；上位機(jī)可通過無線網(wǎng)絡(luò)、光纖實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人運(yùn)行控制并獲取紅外熱成像儀視頻畫面，無線分站技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 無線分站技術(shù)參數(shù)

3 試驗(yàn)分析

在山西某礦3506 運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，為確保試驗(yàn)安全，帶式輸送機(jī)為空載狀態(tài)，運(yùn)行速度設(shè)定為3 m/s；將部分正常托輥更換為卡阻托輥，并用紅外熱成像儀獲取托輥表面溫度，通過Python-OpenCV 圖像處理模塊實(shí)現(xiàn)紅外圖像處理。具體依據(jù)紅外圖像分析得到的托輥故障結(jié)果如表4 所示，托輥故障紅外圖像如圖6 所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

圖6 托輥故障紅外圖像

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過紅外熱成像儀采集獲取托輥運(yùn)行的紅外熱圖像并進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)托輥故障的標(biāo)定，成功檢測(cè)出卡阻托輥，而正常運(yùn)行的托輥不標(biāo)定，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

4 結(jié)語

帶式輸送機(jī)鋪設(shè)距離長(zhǎng)、托輥數(shù)量多，為提高帶式輸送及托輥故障預(yù)警能力以及排查能力，提出綜合使用巡檢機(jī)器人、紅外熱成像儀對(duì)托輥故障進(jìn)行預(yù)警。巡檢機(jī)器人攜帶的各類傳感器可實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)沿線環(huán)境檢測(cè)，通過紅外熱成像儀獲取托輥位置紅外圖像；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸采用Wi-Fi+光纖方式傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)通過Python-OpenCV 圖像處理模塊對(duì)紅外圖像進(jìn)行處理。在3506 運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，文中所提托輥故障預(yù)警技術(shù)可實(shí)現(xiàn)托輥故障預(yù)警，可在一定程度增強(qiáng)帶式輸送機(jī)運(yùn)行安全保障能力。