煤礦井下帶式輸送機智能控制系統研究

宋俊斌

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城048002）

0 引 言

山西蘭花集團莒山煤礦15 號煤層位于太原組底部，K2 灰巖之下，厚1.64～7.30m，平均厚度3.86m。運輸大巷沿15 號煤層底板掘進，屬于全煤巷道，由于服務年限長，且煤層較、裂隙發育，巷道底板易引起變形，帶式輸送機在該巷道內沿底板布置。隨著近來產量不斷增大，運輸系統承擔任務越來越重，在運輸大巷易變形、濕度大、粉塵濃度高等惡劣環境影響下，帶式輸送機經常出現跑偏、撒料等故障，加上維護保養不及時，極易出現停機維修、生產停滯等情況，制約了煤礦高效采出。因此，深入分析研究帶式運輸機主要故障類型、產生因素等，引入智能化手段，針對性地提出解決辦法，對提高煤礦生產效率有重要意義。

1 主要故障類型分析

1.1 帶式運輸機結構及原理

如圖1 所示，15 號煤運輸大巷所采用帶式運輸機主要由驅動裝置、垂直拉緊裝置、滾筒組、托輥組、運輸帶、清掃器、安全保護裝置等構成。

整個運輸機的動力有驅動裝置提供，動力通過滾筒，在摩擦力的作用下，皮帶圍繞滾筒及托輥旋轉，拉緊裝置將皮帶拉緊，托輥的承載使皮帶呈U 型狀態，煤炭在皮帶上隨其同步向前運動，直至指定位置。帶式運輸機整體依靠機架提供承載力，機架鋪設在運輸大巷底板，隨大巷底板起伏而平行運轉。

圖1 帶式運輸機結構示意圖

1.2 故障類型分析

經過對15 煤運輸大巷帶式輸送機連續6 個月的故障監測，匯總數據得出帶式運輸機的主要故障類型有皮帶跑偏、撒料等6 種，所占比例如圖2 所示。其中，跑偏、撒料占到故障率的65.3%，成為影響運輸效率的主要因素。

1）皮帶跑偏故障率最高，占到37%。正常運行運行狀態下，皮帶呈現為中軸對稱的U 型，在托輥支撐下載重運行，故障表現為皮帶以非U 型姿態脫離托輥支撐，懸空或遠離支架運行，往往伴隨撒料、磨損等其他損害，嚴重時可造成摩擦起熱、引發火災，造成事故或人員傷亡。

圖2 帶式運輸機故障率發生對比圖

2）撒料故障率排第二，占到28.3%。運輸機撒料的主要原因有2 個：一是皮帶跑偏，物料因失去支承載而撒落；二是皮帶懸空，因15 煤運輸大巷底板變形較大，運輸機機架形成局部低洼、局部上拱，皮帶在張緊力的作用下形成局部懸空、局部過緊，導致撒料。

3）異常噪音故障率排第三，占到21.2%。帶式運輸機構成部件眾多、且長期在高粉塵環境中運行，軸承或軸承座極易損壞，進而產生異常噪音。該類故障對運輸效率影響不大，但往往預示著大的故障即將發生，必須及時維護保養。

4）皮帶打滑故障率占比6.9%。皮帶打滑時因為皮帶與滾筒間產生速度差，由滾動摩擦變為滑動摩擦造成。主要原因是張緊裝置配重不夠造成皮帶張緊力不足，或是皮帶清掃故障導致濕潤物料進入滾筒與皮帶間隙，再或者是因為皮帶過載。

5）皮帶斷裂故障率占3.9%。該故障發生率低但危害較重，一旦發生，運輸機將直接停車，甚至造成皮帶報廢，斷裂處集中在滾軸或皮帶接口處，主要誘因是皮帶老化失修、轉載點刺穿等。

6）減速機斷軸故障率占2.7%。減速機斷軸發生常見位置為減速機第一級垂直齒輪軸的高速軸上，造成高速軸斷裂的主要原因是高速軸設計強度不夠，長時間運行導致疲勞損壞，進而造成斷軸。

2 故障預防控制研究

2.1 解決方案

針對不同故障類型，分別引入不同的傳感器監測對應故障數據，如圖3 所示，經過智能控制主機判斷后，發出相應指令，實現智能輔助控制。

1）皮帶跑偏。在運輸機皮帶兩側，按照左右交替的順序，每隔50m 布置皮帶跑偏傳感器1 個，通過設置極限值來控制皮帶跑偏后的處理對策，跑偏距離較小可發出警報提示人工查驗，距離大時可直接控制運輸機停車。

2）撒料。在皮帶底部每隔一段距離安裝稱重傳感器1 個，以工作面處1 號傳感器為初始值，在連續長度內分別與1 號數據對比，實現撒料數據的自我分析，相鄰兩傳感器數據差異較大時，控制主機發出警報，并顯示位置數據，提示檢修。

3）皮帶打滑。滾筒通過靜摩擦產生牽引力帶動皮帶運轉，皮帶打滑將極大地降低牽引力，在滾筒處，設置速度傳感器，采集皮帶與滾筒的相對運行速率，通過判斷該數值的大小來判斷皮帶是否打滑。

4）皮帶撕裂、減速機斷軸2 種故障發生率低，且發生時運輸機本身的拉力感應裝置可自行判斷停車，不再引入其他智能控制單元。

圖3 帶式輸送機智能控制系統架構

2.2 智能控制系統設計

智能控制系統由集中控制系統和傳感器檢測系統構成，前者是智能控制系統的關鍵，主要用于相關數據的分析判斷，發出控制指令；后者主要用于采集接收來自傳感器反饋的重量、速度、煙霧、跑偏、堆煤等數據，傳感器檢測系統連接皮帶速度、跑偏、堵煤、堆煤、皮帶撕裂等故障監測傳感器。

系統設計時，智能控制系統要保證監測數據及時可靠，首先要保證其本身配件的穩定性、可靠性，這決定整個智能控制系統的性能。15 煤運輸大巷環境較為惡劣，考慮選用穩定性較高、兼容性好的西門子S7-1214PLC 型主控制器。系統硬件配置設計主要有PLC 控制系統、運輸機功率的監測、各個傳感器及變頻器等。帶式輸送機智能控制系統的組成情況如圖4 所示。根據圖示可知，PLC 控制器處于智能控制系統的核心地位，在接收上位機過來的控制命令后，控制變頻器輸出，實現對帶式運輸機電機的間接控制；速度傳感器實時監測帶式運輸機的速率，實時向PLC 控制器反饋；皮帶秤即稱重傳感器，可實時監測當下運輸煤量，并實時向PLC 發送信息；功率采集模塊主要收集帶式運輸機電機及變頻器的運行狀態相關數據，實時向PLC 控制器反饋；其余各項保護類傳感器，根據其自身功能，實時監測運輸機是否產生跑偏、打滑、撕裂等其他故障，且將數據實時向PLC 控制器反饋。PLC 控制器將上述所有傳感器單元所反饋的數據進行初步處理，之后上傳至上位機系統，工作人員可隨時通過操控上位機系統，實現對帶式輸送機運行狀態及運行參數的實時監控。

圖4 帶式輸送機智能控制系統組成

3 結 語

通過長時間的監測數據，得出帶式運輸機發生故障的故障類型、主要特點、表現形式，以及主要故障類型的對應起因。通過智能控制系統的引入，實現了對帶式運輸機主要故障類型的智能化預警，防患于未然，大大降低了故障發生的頻率，降低了維修費用，減少了人工成本，直接提高了井下運輸效率。但在引入智能化控制系統的同時，應加大設備監管力度、加強人員管理，強化人員培訓、技能操作，從根本上降低皮帶運輸機故障發生概率。