帶式輸送機皮帶防撕裂裝置設計的探究

王 磊

（山西煤礦安全監察局安全技術中心， 山西 太原 030031）

引言

帶式輸送機在煤礦領域有非常廣泛的應用。但煤礦作業環境復雜，輸送機在正常工作過程中，皮帶經常發生撕裂問題[1]，甚至重大的皮帶撕裂事故[2]，事故輕則對帶式輸送機的電機、減速器、支架等造成損壞，重則引發人員傷亡事故。此外皮帶本身的價值非常高，如果皮帶沿著縱向發生撕裂，可能會導致整條皮帶報廢，給煤礦企業帶來重大的經濟損失[3]。如果在裂紋初期能夠及時發現并停機處理，就能夠避免出現大范圍撕裂，只需要將出現裂紋的區域進行處理還可以繼續使用[4]。本文結合帶式輸送機具體情況分析研究了皮帶防撕裂裝置。

1 帶式輸送機皮帶撕裂原因分析

1）皮帶跑偏。帶式輸送機運行過程中出現跑偏問題時，會導致皮帶堆積到一側，并與支架發生嚴重刮擦，時間長久后使皮帶發生撕裂[5-6]。

2）鋼繩芯斷裂。對于鋼繩芯皮帶而言，其在運行過程中遇到較大的外界沖擊時，可能導致內部的鋼繩芯出現斷裂，皮帶的性能大打折扣，最終皮帶無法承受正常的工作載荷而發生撕裂。

3）物料堵塞。這種情況主要出現在溜槽下部，皮帶表面和溜槽中間的空隙。物料堵塞在特殊情況下可能會導致體積比較大的煤礦物料卡在皮帶與溜槽之間，皮帶在正常運行過程中對皮帶表面產生擠壓劃傷，最終引發皮帶撕裂。

4）硬質煤塊劃傷。當皮帶表面裝載的煤礦物料硬度比較大，且遇到比較尖銳的煤塊時，輸送機工作時就有可能會被硬質尖銳的煤塊劃傷。這種情況最容易出現在煤礦物料裝載階段，由于煤礦物料進入皮帶輸送機時存在一定的高度差，物料在落入到皮帶表面時會存在較大的沖擊力，當煤礦物料比較尖銳時，可能會直接戳穿皮帶。

2 皮帶防撕裂檢測裝置的總體結構

如圖1所示為皮帶防撕裂檢測裝置總體結構。整個裝置可以劃分成為三大部分，即皮帶圖像捕捉、皮帶裂紋檢測、輔助模塊。其中皮帶圖像捕捉模塊是對皮帶底部區域的表面圖像進行獲取，在獲取皮帶底面高清圖像后，將圖像傳輸至皮帶裂紋檢測模塊，通過檢測模塊中設置的檢測程序算法對圖像進行處理，檢測發現皮帶表面可能存在的裂紋。一旦檢測發現確實存在裂紋，則系統會向外發出警報并對帶式輸送機做自動停機處理。輔助模塊的作用是為工業相機獲取高清圖像提供良好的環境條件。

圖1 皮帶防撕裂檢測裝置總體結構

3 皮帶防撕裂檢測裝置的工作原理及流程

3.1 防撕裂裝置的基本工作原理

裝置的基本工作原理為：通過圖像采集系統收集得到皮帶表面的圖像，利用圖像處理技術對皮帶表面圖像進行分析，發現皮帶表面可能存在的裂紋。一旦真正發現裂紋，立即發出警報，并對設備進行自動停機處理。防止小裂紋不斷擴大成為大裂紋，最終導致皮帶發生嚴重撕裂。

圖像檢測原理為：利用激光器發出激光打在皮帶表面，如果皮帶表面不平整，存在小裂紋就會導致激光條紋出現變形，其變形的程度反映了皮帶裂紋的大小。利用專業的工業像機拍攝皮帶表面的激光條紋，如果皮帶沒有任何裂紋，那么激光條紋必然是連續的、平順的。相反，如果皮帶表面存在裂紋，那么激光條紋必然是斷裂的、跳躍的。基于該原理可以實現皮帶表面裂紋的檢測。

裝置的檢測精度直接決定了檢測結果的可靠性。對于圖像檢測精度而言，可以將其劃分成為兩個層面，分別為橫向檢測精度和縱向檢測精度。只要工業像機拍攝得到的圖像能夠完全覆蓋皮帶橫向方向，那么就能保證橫向檢測精度。縱向檢測精度與圖像長度、拍攝頻率有關系，只要圖像長度足夠且拍攝頻率能夠跟上皮帶運行速度，就能夠確保縱向檢測精度。

3.2 防撕裂裝置基本工作流程

1）圖像捕捉。基于工業相機對皮帶表面圖像進行捕捉，圖像捕捉頻率對縱向檢測精度有重要影響。為確保防撕裂裝置的檢測精度和結果的可靠性，裝置每秒鐘需要捕捉30張皮帶表面圖像。

2）圖像初步處理。對圖像進行初步處理的作用是讓捕捉到的圖像更方便提取激光條紋特征，降低其他因素對檢測結果的影響，提升檢測精度。具體而言，圖像初步處理主要包含三方面的工作：其一為對捕捉到的圖像格式進行轉換；其二為對圖像進行降噪處理；其三為分割激光影像區域。

3）提取激光條紋中心。該環節對檢測結果精度有重要影響，因為本裝置主要是基于激光條紋中心來判斷皮帶表面是否存在裂紋。

4）分析光條中心特點。將提取得到的激光條紋中心進行分析，判斷激光條紋相鄰像素之間的距離、光條中心曲率以及光條偏移距離等參數，并將其與系統設定的閾值進行比較，以判斷是否存在裂紋。

5）判斷結果響應。如果檢測發現表面不存在任何裂紋，則不采取任何措施。一旦檢測發現皮帶表面存在裂紋，一方面發出警報提醒工作人員，同時會強制對帶式輸送機進行停機處理。

4 皮帶防撕裂裝置硬件和軟件功能的實現

4.1 防撕裂裝置硬件構成

1）皮帶圖像捕捉硬件模塊。該部分硬件主要包括工業相機、激光器以及底座，在底座上安裝工業相機和激光器。選用的是NF-701L-660T-100-75型激光器，如圖2-1所示為激光器的實物圖。激光發射的信號與皮帶運行方向保持垂直，其作用是輔助測量皮帶裂紋情況。通過1MV-VS078FC型工業相機捕捉皮帶圖像，使用高清鏡頭能夠非常清晰地獲得皮帶表面的圖像，為檢測皮帶表面裂紋奠定堅實的基礎，如圖2-2所示為工業相機實物圖。

2）皮帶裂紋檢測硬件模塊。該部分硬件主要包括圖像采集卡和計算機，其中選用的是MV-1394PCI1394A型圖像采集卡，具有速度快、精度高的特點，如圖2-3所示為圖像采集卡的實物圖。計算機處理器為英特爾品牌，四核CPU、8 GB內存，高性能計算機能夠確保整個圖像處理過程的實時性。

圖2 皮帶防撕裂裝置主要硬件實物圖

3）輔助硬件模塊。該部分硬件主要包括密封罩、高壓吹掃機以及LED燈光，作用是為圖像捕捉和處理過程提供一個優良的環境，提升皮帶防撕裂效果。

4.2 防撕裂裝置軟件功能的實現

軟件功能通過VC平臺實現，軟件系統能夠將檢測得到的皮帶裂紋圖像展示給操作人員，同時向外發出警報，并自動停機。如圖3所示為皮帶防撕裂裝置軟件功能流程圖。從圖中可以看出，基于工業相機捕捉皮帶表面圖像，對圖像進行初步處理后，通過編寫的圖像處理算法對圖像進行分析，主要是對相鄰像素之間的間距、光條中心曲率、光條偏移距離等參數進行檢測。如果發現這些參數超過了設定的閾值，系統就判斷該位置存在裂紋。一旦檢測到皮帶存在裂紋，一方面會將相關圖像展示到顯示屏中給操作人員查看，并發出警報。另一方面，系統會將帶式輸送機進行自動停機處理，避免裂紋進一步拓展導致整條皮帶出現撕裂。整個處理過程可在30 ms時間內完成，完全能夠滿足工業使用中的實時性要求。

圖3 防撕裂裝置軟件功能流程圖

5 結論

本文研究的皮帶防撕裂裝置能夠對皮帶表面存在的裂紋進行檢測，可供工作人員及時發現問題并解決問題，避免小裂紋引發嚴重撕裂，可有效保障帶式輸送機的安全穩定運行，為煤礦企業創造較大的經濟效益和社會效益。