煤礦主運輸帶式輸送機故障監測和防治系統研究

朱艷軍 任曉迪 席 冉

（1.中煤平朔煤業有限責任公司，山西省朔州市，036000；2.國家安全生產監督管理總局信息研究院，北京市朝陽區，100029）

帶式輸送機在輸送過程中經常出現膠帶損傷、跑偏、打滑、斷帶、電機定子超溫以及煤倉堆煤等故障，這些故障經常會導致重大的事故，對生產造成重大損失。《煤礦安全規程》明確規定，采用滾筒驅動主運輸帶式輸送機運輸時，必須裝設驅動滾筒防滑保護、堆煤保護、防跑偏裝置、溫度保護和自動灑水裝置；在主要運輸巷道內安設的主運輸帶式輸送機還必須裝設輸送膠帶張緊力下降保護裝置和防撕裂保護裝置。因此，結合國家標準的相關規定，應開發出更適合煤礦安全生產的智能型和多功能主運輸帶式輸送機保護控制裝置，以適用于煤礦井下主運輸帶式輸送機的安全、穩定和高效運行。基于此，設計了一套主運輸帶式輸送機故障監測和防治系統。

1 主運輸帶式輸送機故障監測和防治系統設計

主運輸帶式輸送機故障監測和防治系統主要由信號檢測和測量裝置（繼電器或傳感器）、信號處理和控制單元（PLC）、執行裝置、數字顯示和報警裝置組成，系統結構圖如圖1所示。系統解決了傳統單純繼電器檢測方式的誤判和漏判現象，大大提高了故障診斷的智能性，實現了對主運輸帶式輸送機故障早預報和早處理的目的。

帶式輸送機的各種故障（損傷、跑偏、打滑、斷帶、電機定子超溫、煤倉堆煤）均可歸結為速度、負載和溫度等帶式輸送機運輸過程中的特性變化所引起，因此，本系統所監測的主要參數為帶式輸送機的速度、電機電流和溫度。帶式輸送機故障診斷和監測過程中根據各個參數的不同調用不同的控制算法，實現對故障的預判斷，控制處理器（PLC）根據判斷結果控制電機執行相應的動作或者聲光報警器報警。

圖1 主運輸帶式輸送機故障監測系統結構圖

2 主運輸帶式輸送機故障監測和防治系統功能

2.1 膠帶損傷檢測

膠帶損傷是煤礦使用帶式輸送機最常見的故障之一，在井下煤炭運輸過程中，膠帶鋪設長度較長且井下工作環境較差，很容易引起損壞。膠帶損傷有以下幾種常見形式：

（1）轉載機與帶式輸送機機尾搭接高度不夠，機尾緩沖托輥失去彈性，當大塊的物料從轉載機上落下，形成較大的沖擊力而撞破膠帶的上覆蓋層，甚至破斷帶芯，形成窟窿。當物料中夾帶尖銳物體時，很容易劃破膠帶，造成膠帶縱向撕裂。

（2）膠帶跑偏會引起膠帶和機架摩擦，產生膠帶邊拉毛開裂，時間久了水會從破損處滲入，膠帶帆布層會逐漸腐爛。

（3）膠帶搭接時接頭不齊、不平或不直，造成膠帶受力不均勻而破裂。

（4）膠帶制造質量差或使用保管不當，如地面使用的膠帶夏季長期在烈日下曝曬，冬季膠帶表面積水結冰造成膠帶膠質變硬而提前老化，形成老化損傷。

膠帶損傷后會影響膠帶的運行速度，可以利用速度傳感器檢測膠帶的運行速度，進而判斷膠帶是否損傷。本系統選用常州聯力公司生產的KJ5007A型速度傳感器，帶式輸送機運行時速度檢測傳感器緊貼帶式輸送機滾輪，轉盤（帶有齒槽）在光電傳感器凹槽內轉動。光電傳感器光路通斷受齒槽控制輸出相應的方波頻率信號，頻率信號再經頻率／電壓、電壓／電流變換后輸出4～20 m A的電流信號，根據電流大小的不同來監測帶式輸送機的運行速度。

2.2 膠帶跑偏監測和防治

膠帶跑偏的根本原因是膠帶在運行過程中橫向受力不平衡，主要存在以下幾種常見問題：

（1）安裝質量問題。安裝質量問題包括機架和滾筒沒有調整平直、托輥軸線與輸送帶中心線不垂直、機架與地面連接強度不夠以及導料槽和卸料槽的導料擋板安裝位置不當。

（2）本身質量問題。膠帶接頭與中心線不垂直或膠帶邊呈 “S”型。（3）裝載質量問題。裝載點不在輸送帶中央。（4）維護質量問題。滾筒清掃不干凈，造成直徑不等。

為了解決膠帶跑偏而引起的帶式輸送機故障，在帶式輸送機機頭、機中和機尾等膠帶最容易跑偏的位置分別安裝一對防跑偏保護裝置。當帶式輸送機正常工作時，跑偏開關的探桿在豎直位置，當膠帶跑偏時，膠帶邊緣會碰到跑偏開關的探桿，并帶動探桿軸轉動，此時與探桿固定在同一軸上的凸輪也會隨著轉動，并撥動跑偏開關的微動開關，帶式輸送機發出跑偏信號。帶式輸送機機頭膠帶跑偏監測示意圖如圖2所示。

圖2 帶式輸送機機頭膠帶跑偏監測示意圖

2.3 膠帶打滑監測和防治

驅動滾筒打滑是帶式輸送機經常出現的故障，帶式輸送機滾筒打滑是由滾筒的摩擦牽引力降低、超載或膠帶被卡住所致，摩擦牽引力降低是由于膠帶或滾筒沾到泥水以及膠帶張力下降所致。如果滾筒持續打滑得不到糾正，會導致膠帶著火，從而引起重大火災事故。即使采用阻燃膠帶，驅動滾筒持續打滑也會導致膠帶冒煙污染空氣。

當帶式輸送機發生打滑現象時，滾筒和膠帶之間發生的劇烈摩擦會使滾筒溫度升高，根據此原理，在滾筒上設計溫度傳感器對滾筒的溫度進行實時監測，當溫度達到設定值時監測系統開始報警，同時啟動灑水閥灑水降溫。帶式輸送機打滑監測系統示意圖如圖3所示。

圖3 帶式輸送機打滑監測系統示意圖

2.4 膠帶撕裂與斷帶檢測

膠帶撕裂與斷帶是帶式輸送機最嚴重的故障，一旦發生斷帶下滑和因逆止器失效造成的逆轉事故，就很容易摧毀帶式輸送機機架、損壞相關設備和堵塞運輸巷道，造成停產甚至是人員傷亡的嚴重事故，給企業帶來重大經濟損失。從大量的斷帶事故分析可知，膠帶撕裂與斷帶大概有以下幾種原因：

（1）齒輪減速器損壞，液力耦合器噴液或電動機逆轉。

（2）膠帶接頭質量問題。

（3）運輸中因其他物體卷入而引起運輸載荷突然增加。

（4）啟動和停車時應力變化大。

（5）膠帶自身質量不過關，日常維護不到位。

2.4.1 膠帶撕裂的監測方法

在帶式輸送機下方安裝漏料監測器，當膠帶被撕裂后，物料會通過裂口掉到下面的托盤上，根據重量平衡原理，當檢測器上漏料的重量大于平衡錘的重量時，會使該裝置繞支點轉動，迫使限位開關動作。這種檢測裝置結構比較簡單，檢查方便。漏料檢測器工作示意圖如圖2所示。

圖4 漏料檢測器工作示意圖

2.4.2 膠帶斷帶的監測方法

當膠帶負載忽然變輕或是膠帶忽然斷帶時，膠帶的運行速度會馬上升高。一般膠帶的正常運行速度是4.5 m／s。通過速度傳感器監測膠帶的運行速度，當膠帶的速度達到標準帶速的105%時，監測系統發出聲光報警并命令CST緊急停車（標準帶速為4.5 m／s）。

2.5 電機定子超溫監測

定子超溫一般存在電和磁兩個方面的問題。從電的方面來說，主要是存在電機長時間過負荷、線圈繞組中出現相間或匝間短路、線圈絕緣層損傷以及內部放電等問題。從磁的方面來說，主要是存在電磁磁耗和渦流損耗過大等問題。

當電機定子溫度過高時，會破壞絕緣層，造成短路。監測定子超溫現象是通過在定子繞組中放入熱敏電阻來實現的。當定子的溫度發生變化時，熱敏電阻的阻值變化，輸出電流也隨著變化，根據電流的大小來檢測定子的溫度。同樣為定子設置一個危險溫度值，當定子的溫度超過這個數值的時候，超溫監測系統發出危險報警，強制電機停機。

2.6 煤倉堆煤故障監測

當煤倉內有大煤塊堵塞煤倉漏口時，會使煤流受阻在煤倉內，無法向帶式輸送機正常投放。由于煤倉較大，如果不能及時發現煤倉堆煤，會導致煤倉內堆煤量越來越大，迫使使用大量的人力和物力來挖除煤倉內阻塞的堆煤，此時運輸系統將全部停工。這樣不僅增加了時間成本，降低了工作效率，同時也增加了人力和物力成本，提高了煤的生產成本。

為了解決煤倉堆煤問題，帶式輸送機頭部漏斗壁上安裝堆煤傳感器，并設置一個危險煤位。當漏斗中的煤位超過危險煤位時，堆煤傳感系統發出報警信號，提醒工作人員及時處理煤倉內阻塞的煤。

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