煤礦井下帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)研究

宋俊斌

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城048002）

0 引 言

山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦15 號煤層位于太原組底部，K2 灰?guī)r之下，厚1.64～7.30m，平均厚度3.86m。運(yùn)輸大巷沿15 號煤層底板掘進(jìn)，屬于全煤巷道，由于服務(wù)年限長，且煤層較、裂隙發(fā)育，巷道底板易引起變形，帶式輸送機(jī)在該巷道內(nèi)沿底板布置。隨著近來產(chǎn)量不斷增大，運(yùn)輸系統(tǒng)承擔(dān)任務(wù)越來越重，在運(yùn)輸大巷易變形、濕度大、粉塵濃度高等惡劣環(huán)境影響下，帶式輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)跑偏、撒料等故障，加上維護(hù)保養(yǎng)不及時，極易出現(xiàn)停機(jī)維修、生產(chǎn)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(yùn)輸機(jī)主要故障類型、產(chǎn)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(chǎn)效率有重要意義。

1 主要故障類型分析

1.1 帶式運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

如圖1 所示，15 號煤運(yùn)輸大巷所采用帶式運(yùn)輸機(jī)主要由驅(qū)動裝置、垂直拉緊裝置、滾筒組、托輥組、運(yùn)輸帶、清掃器、安全保護(hù)裝置等構(gòu)成。

整個運(yùn)輸機(jī)的動力有驅(qū)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(zhuǎn)，拉緊裝置將皮帶拉緊，托輥的承載使皮帶呈U 型狀態(tài)，煤炭在皮帶上隨其同步向前運(yùn)動，直至指定位置。帶式運(yùn)輸機(jī)整體依靠機(jī)架提供承載力，機(jī)架鋪設(shè)在運(yùn)輸大巷底板，隨大巷底板起伏而平行運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 帶式運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 故障類型分析

經(jīng)過對15 煤運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)連續(xù)6 個月的故障監(jiān)測，匯總數(shù)據(jù)得出帶式運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸效率的主要因素。

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

圖2 帶式運(yùn)輸機(jī)故障率發(fā)生對比圖

2）撒料故障率排第二，占到28.3%。運(yùn)輸機(jī)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(yùn)輸大巷底板變形較大，運(yùn)輸機(jī)機(jī)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(dǎo)致撒料。

3）異常噪音故障率排第三，占到21.2%。帶式運(yùn)輸機(jī)構(gòu)成部件眾多、且長期在高粉塵環(huán)境中運(yùn)行，軸承或軸承座極易損壞，進(jìn)而產(chǎn)生異常噪音。該類故障對運(yùn)輸效率影響不大，但往往預(yù)示著大的故障即將發(fā)生，必須及時維護(hù)保養(yǎng)。

4）皮帶打滑故障率占比6.9%。皮帶打滑時因?yàn)槠c滾筒間產(chǎn)生速度差，由滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ猎斐伞Ｖ饕蚴菑埦o裝置配重不夠造成皮帶張緊力不足，或是皮帶清掃故障導(dǎo)致濕潤物料進(jìn)入滾筒與皮帶間隙，再或者是因?yàn)槠н^載。

5）皮帶斷裂故障率占3.9%。該故障發(fā)生率低但危害較重，一旦發(fā)生，運(yùn)輸機(jī)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(zhuǎn)載點(diǎn)刺穿等。

6）減速機(jī)斷軸故障率占2.7%。減速機(jī)斷軸發(fā)生常見位置為減速機(jī)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(shè)計強(qiáng)度不夠，長時間運(yùn)行導(dǎo)致疲勞損壞，進(jìn)而造成斷軸。

2 故障預(yù)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(jiān)測對應(yīng)故障數(shù)據(jù)，如圖3 所示，經(jīng)過智能控制主機(jī)判斷后，發(fā)出相應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)智能輔助控制。

1）皮帶跑偏。在運(yùn)輸機(jī)皮帶兩側(cè)，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(shè)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(fā)出警報提示人工查驗(yàn)，距離大時可直接控制運(yùn)輸機(jī)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(xù)長度內(nèi)分別與1 號數(shù)據(jù)對比，實(shí)現(xiàn)撒料數(shù)據(jù)的自我分析，相鄰兩傳感器數(shù)據(jù)差異較大時，控制主機(jī)發(fā)出警報，并顯示位置數(shù)據(jù)，提示檢修。

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

4）皮帶撕裂、減速機(jī)斷軸2 種故障發(fā)生率低，且發(fā)生時運(yùn)輸機(jī)本身的拉力感應(yīng)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(jī)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

智能控制系統(tǒng)由集中控制系統(tǒng)和傳感器檢測系統(tǒng)構(gòu)成，前者是智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要用于相關(guān)數(shù)據(jù)的分析判斷，發(fā)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(shù)據(jù)，傳感器檢測系統(tǒng)連接皮帶速度、跑偏、堵煤、堆煤、皮帶撕裂等故障監(jiān)測傳感器。

系統(tǒng)設(shè)計時，智能控制系統(tǒng)要保證監(jiān)測數(shù)據(jù)及時可靠，首先要保證其本身配件的穩(wěn)定性、可靠性，這決定整個智能控制系統(tǒng)的性能。15 煤運(yùn)輸大巷環(huán)境較為惡劣，考慮選用穩(wěn)定性較高、兼容性好的西門子S7-1214PLC 型主控制器。系統(tǒng)硬件配置設(shè)計主要有PLC 控制系統(tǒng)、運(yùn)輸機(jī)功率的監(jiān)測、各個傳感器及變頻器等。帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)的組成情況如圖4 所示。根據(jù)圖示可知，PLC 控制器處于智能控制系統(tǒng)的核心地位，在接收上位機(jī)過來的控制命令后，控制變頻器輸出，實(shí)現(xiàn)對帶式運(yùn)輸機(jī)電機(jī)的間接控制；速度傳感器實(shí)時監(jiān)測帶式運(yùn)輸機(jī)的速率，實(shí)時向PLC 控制器反饋；皮帶秤即稱重傳感器，可實(shí)時監(jiān)測當(dāng)下運(yùn)輸煤量，并實(shí)時向PLC 發(fā)送信息；功率采集模塊主要收集帶式運(yùn)輸機(jī)電機(jī)及變頻器的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時向PLC 控制器反饋；其余各項(xiàng)保護(hù)類傳感器，根據(jù)其自身功能，實(shí)時監(jiān)測運(yùn)輸機(jī)是否產(chǎn)生跑偏、打滑、撕裂等其他故障，且將數(shù)據(jù)實(shí)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(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，之后上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，工作人員可隨時通過操控上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控。

圖4 帶式輸送機(jī)智能控制系統(tǒng)組成

3 結(jié) 語

通過長時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出帶式運(yùn)輸機(jī)發(fā)生故障的故障類型、主要特點(diǎn)、表現(xiàn)形式，以及主要故障類型的對應(yīng)起因。通過智能控制系統(tǒng)的引入，實(shí)現(xiàn)了對帶式運(yùn)輸機(jī)主要故障類型的智能化預(yù)警，防患于未然，大大降低了故障發(fā)生的頻率，降低了維修費(fèi)用，減少了人工成本，直接提高了井下運(yùn)輸效率。但在引入智能化控制系統(tǒng)的同時，應(yīng)加大設(shè)備監(jiān)管力度、加強(qiáng)人員管理，強(qiáng)化人員培訓(xùn)、技能操作，從根本上降低皮帶運(yùn)輸機(jī)故障發(fā)生概率。