礦用帶式輸送機安全監測系統改造研究

曹文宇

（汾西礦業集團中興煤業公司， 山西 交城 030500）

引言

在煤礦生產運輸環節中，帶式輸送機是最為常用的運輸設備。由于煤礦井下工作條件惡劣、運輸距離長以及設備裝載不均衡，輸送設備在運行過程中會出現輸送帶斷裂、跑偏、打滑及堆煤等故障。由于該類故障的發生又會導致二次故障的發生，如輸送帶跑偏較為嚴重時，堆積在一側的輸送帶在不均衡受力情況下易被托輥或者機架劃開而撕裂，導致輸送機撒煤嚴重，隨著時間推移，大量的堆煤緩慢氧化蓄熱，如遇皮帶摩擦生熱則可引發火災的發生。礦井帶式輸送機運輸承擔著礦井主運輸的重任，若輸送機發生故障，則會引起相應工作區域運輸系統陷入癱瘓，嚴重時，可能導致礦井全面停產。因此，帶式輸送機能否安全、高效、可靠運行對礦井的正常安全生產有著重要的影響，因此，加強對帶式輸送機進行安全監測和故障預警對提高礦井運輸生產效率和經濟效益具有重要的意義。以中興煤業帶式輸送機為例，現有的帶式輸送機監測系統在實際使用中存在很大的問題，造成皮帶機監測功能虛設，甚至因誤動作嚴重影響正常運輸，因此對中興煤業現有皮帶監測系統進行改造研究的需求迫在眉睫。

1 帶式輸送機主要安全隱患分析

1.1 驅動裝置故障

1）電動機故障。電動機在運行過程中容易發生電機過熱、電流過大、轉速不平衡及噪聲大等現象，若未及時發現并進行相關處理，則很容易造成電動機無法正常工作，甚至發生損毀。電動機過熱主要原因有負載過高、定子繞組故障及電壓不穩等。電動機電流過大主要原因有繞組短路及電壓過高等。電動機轉速過快主要是其調速裝置出現問題，而噪聲過大主要由轉子轉動不平衡、軸承不良及零部件安裝不牢固所引發。

2）減速器故障。帶式輸送機經過長時間的運行，減速器齒輪會出現磨損、點蝕及齒根斷裂等問題，進一步引發軸承的損壞，上述問題的發生會引起減速器發出異常聲響。減速器選型不合適或者安裝不當時，可能會造成減速器高速軸發生斷軸事故，若密封損壞時可能會導致漏油事故的發生，為井下帶來火災隱患。

3）耦合器故障。帶式輸送機液力耦合器主要起到平衡功率、降低啟動載荷的作用，然而耦合器運轉速度高，油壓過高可能導致漏油事故發生，零部件松動會引起振動和噪聲，油路不暢會導致油泵不出油，冷卻系統故障導致耦合器過熱[1-3]。

1.2 輸送帶故障

1）打滑故障。若輸送帶與驅動滾筒間的滑差率較大時，即二者的運行速度不同，則認為打滑故障已經發生，該類故障導致驅動力無法到達輸送帶，降低了生產效率，嚴重時可能導致火災的發生。輸送帶打滑與輸送帶張力、輸送帶與傳動滾筒間的摩擦因素及輸送帶所受的阻力有關系，當張力不足、阻力過大或者摩擦力過小時，都可能導致打滑故障的發生。

2）斷帶與縱向撕裂故障。輸送帶通過若干帶段連接而成，因此在接頭處容易發生橫向斷裂故障，輸送帶接頭處老化或者張力超過極限值都可導致該類故障的發生。由于輸送帶鋼絲繩橫向通過芯膠連接，因此其橫向抗變形能力相對較差，長時間高負荷運轉會使輸送帶橡膠覆蓋層產生裂紋并擴展，若被異物刮傷則會造成輸送帶撕裂，導致輸送機無法正常運轉[4]。

3）跑偏故障。輸送機長時間運行會產生輸送帶中心線與機架中心線不重合的跑偏現象，通常有左右跑偏和蛇形跑偏兩種現象。造成跑偏現象的根本原因是輸送帶兩側受力不均衡，此外，輸送帶連接時接口錯位造成輸送帶中心線不在一條直線上，機架制作及安裝精度存在誤差，托輥與機架中心線不垂直造成托輥兩端受力不均勻，落料點位置不正或輸送帶張力不足等也會引發跑偏故障。

4）火災故障。當輸送帶發生打滑等故障時，會造成輸送帶溫度升高，引發輸送帶著火。另外，電氣故障、煤塵自燃等外界火源也會引發輸送帶著火。

1.3 托輥和機架故障

1）托輥故障。煤礦井下工作環境惡劣，托輥受到水或者粉塵等銹蝕作用的影響會造成托輥轉動不靈活，加之托輥表面附著有異物，會造成托輥兩側的運行阻力不一致，導致跑偏故障的發生。若托輥卡死，與輸送帶長時間摩擦生熱，當輸送機停機后，易引燃輸送帶。

2）機架故障。機架作為輸送機的承載機構，其制作及安裝質量對輸送機的平穩運行具有重要作用。機架常見故障為變形故障，機架變形會引發皮帶跑偏，進而引發其他故障，因此在日常工作中要加強人工巡檢工作。

2 故障監測方案

2.1 打滑與斷帶故障監測

輸送帶發生打滑故障的根本原因是輸送帶與驅動滾筒的速度不同，而輸送機發生斷帶故障時會引發帶速的急劇變化；輸送帶運行時要施加一定預緊力，當輸送帶張力不足時會引起打滑故障的發生，而發生斷帶故障后，輸送帶張力會急劇下降，因此可通過對輸送帶帶速和張力的監測來判斷打滑和斷帶故障發生情況。現有的速度保護傳感器采用在改向滾筒上加裝磁鐵，然后利用霍爾元件原理來檢測，但測量精度低，而且只有一個速度傳感器，無法與驅動滾筒的速度形成對比，速度設定值無法修改。因此必須設計一種新型的速度檢測形式來克服現有傳感器的缺點。

1）帶速監測。輸送帶帶速與從動滾筒的線速度近似相等，通過采用增量式編碼器對驅動滾筒和從動滾筒轉速進行測量，進而轉換成線速度后進行速度比較。如圖1所示，編碼器1測量驅動滾筒的轉速，編碼器2測量皮帶機頭改向滾筒轉速，通過比較編碼器1和編碼器2的轉速，可以判斷打滑故障和監測皮帶的運行速度。

2）張力監測。輸送帶張力靠拉緊裝置來維持，張力不足會導致打滑現象的發生，而張力過大則可能造成輸送帶斷帶故障，因而對輸送帶張力的監測可以轉化為監測拉緊裝置的張緊力。如圖2所示，通過液壓自動拉緊裝置來說明張力的測量方法，輸送機的改向滾筒固定在張緊小車上，張緊絞車通過滑輪組鋼絲繩對張緊小車施加張緊力，則改向滾筒受到同等大小的張緊力，在鋼絲繩上安裝拉力傳感器，則可測得鋼絲繩的拉力，從而得知張緊力的大小。

圖2 液壓自動拉緊裝置

2.2 縱向撕裂故障監測

輸送帶撕裂部位常發生于裝載點附近，因此可以通過對裝載部位的托輥壓力和漏料情況進行監測來判斷縱向撕裂故障。

1）壓力檢測。通過對落料口輸送帶下方托輥受力情況來判斷縱向撕裂故障，落料部位應選用緩沖托輥，正常運行過程中緩沖托輥受到托輥自重G1、托輥上輸送帶質量G2、托輥上煤的質量G3，這三個力在垂直方向上的合力為：

而緩沖托輥所受拉力與W間存在力學關系為：

當α=30°時，F1+F2=2W，緩沖托輥受力示意圖如圖3所示。若有物料卡在輸送機上，不論處緩沖托輥上或者托輥之間，均會改變托輥受力情況，因此可在緩沖托輥側輥上加裝幾組拉力傳感器，通過對拉力變化的檢測來得知托輥變化情況。當這幾組拉力值之和超過極限閥值時，發生輸送帶撕裂故障。

2）漏料檢測。輸送帶撕裂后漏料的檢測可通過安裝漏料檢測器或者加強人工巡檢的方式來預防。

圖3 緩沖托輥受力示意圖

2.3 跑偏保護

輸送帶調偏可通過在輸送機每隔一段距離安裝一組調心托輥來進行，同時要在機架安裝跑偏開關對故障進行識別，當皮帶發生跑偏時，會作用于擺桿導致其左右擺動，開關組里面的微動開關發生動作，可根據開關變化情況來判斷皮帶的跑偏程度，并及時報警。

2.4 堆煤檢測

現有的堆煤保護主要采用在卸煤滾筒前方懸掛堆煤傳感器來實現的，傳感器采用微動開關的原理，在實際使用中存在很大的問題。首先堆煤傳感器的吊掛位置規定為低于卸煤滾筒200 mm，在現場使用中，卸煤滾筒與落煤點的高度不夠，造成傳感器無處吊掛。其次在卸煤滾筒與落煤點高度差較大時由于拋物線的緣故，傳感器離卸煤滾筒距離較遠，發生堆煤時傳感器起不到作用。因此可以采用在卸煤點周圍加裝圍欄，并在圍欄外面安裝行程開關的方式來解決。當出現堆煤時，堆積的煤炭會對四周的圍欄造成壓力，迫使圍欄向外傾斜，圍欄傾斜時會觸碰到行程開關，開關動作發出信號，從而使保護裝置動作，停止皮帶。

2.5 輸送帶著火監測

該檢測通過在皮帶機布置煙霧傳感器和溫度傳感器來進行火災故障識別。煙霧傳感器必須布置在皮帶驅動滾筒的下風側。溫度傳感器布置在驅動滾筒附近，用以檢測因驅動滾筒打滑引起的皮帶冒煙著火。在驅動滾筒附近布置自動超溫灑水裝置，當皮帶出現著火狀況時可以及時進行灑水滅火[5]。

2.6 托輥與機架狀態監測

托輥和機架作為輸送機的主要承載機構，大量安裝傳感器則技術及經濟效益不明顯，因此，應通過加強巡檢和維護來定期監測。

3 監測系統功能框架

圖4 輸送機安全監測系統功能框架圖

基于上述分析，設計如圖4所示的安全監測系統功能框架圖。該系統主要由各安全監測分站、通信網絡及監測主站構成，通過分布式監測分站各類傳感器對打滑、斷帶、縱向撕裂、跑偏及著火故障進行監測，而移動巡檢分站則對輸送機運轉溫度、環境氣體等情況進行監測，將分站監測信息傳輸到主站對故障信息進行分析處理，最終實現安全監測。

4 結論

中興煤業自完成皮帶監測系統改造后，因保護誤動作造成皮帶停車的次數和因保護不起作用造成的皮帶故障大大減少，誤動作次數下降了95%，因皮帶保護造成的故障下降了98%，取得了良好的經濟和安全效益。

[1] 張行，李偉，武倩平，等.新型帶式輸送機巡檢機構系統設計[J].制造業自動化，2015，37（6）：79-82.

[2] 杜平，高睿.基于AVR和LabVIEW的帶式輸送機安全監測系統設計[J].陜西煤炭，2015，34（1）：79-82.

[3] 楊凌霄，崔永濤.基于CAN總線的帶式輸送機實時綜合監測與保護系統[J].制造業自動化，2010，32（4）：73-75.

[4] 楊凌霄，崔永濤.基于S3C2410帶式輸送機監控器的設計[J].煤礦機械，2009，30（11）：3-6.

[5] 悅波.礦用帶式輸送機監控與保護裝置研究[J].山西焦煤科技，2009（9）：11-13.