帶式輸送機故障分析及監控系統設計

寧 珩

(山西離柳焦煤集團有限公司，山西 孝義 032300)

帶式輸送機是一種大型機械運輸設備，是煤礦使用最普遍的運輸設備之一，具有運輸效率高、輸送能力大、耗電量小以及運輸距離遠等優點，可適應井下惡劣的工作環境[1-2]。帶式輸送機在工作過程中，載荷分布不均，受力復雜，一旦發生故障可能引起重大安全事故。因此，及時診斷發現帶式輸送機的故障，準確定位并處理，對實際生產過程的安全性十分重要[3-4]。本文將針對帶式輸送機的常見故障進行分析，研究故障診斷技術，建立故障監控系統與數據庫評估模型。

1 帶式輸送機工作原理

帶式輸送機按照位置與功能可分為機頭部、機身部、機尾部、輸送機帶與其他附屬裝置等機構組成，具體結構如圖1所示[5-6]。輸送帶連接成無級環形帶，利用螺旋張緊裝置將皮帶安裝在兩側帶輪上，通過電機驅動滾筒，帶與帶輪之間產生摩擦力，帶動皮帶與從動輪轉動，從而達到貨物運載的目的。本文將以帶式輸送機為研究對象，分析各組成部件的故障類型，建立帶式輸送機故障模型，方便系統根據不同失效形式與工況參數，對不同部件的故障進行分析，并及時給出解決維護措施。

圖1 帶式輸送機結構圖Fig.1 Structureof belt conveyor

2 帶式輸送機故障分析及維護措施

2.1 電機故障分析

帶式輸送機為勻速運輸裝置，電機通常選用三相異步電動機。當電機發生故障時，主要失效形式為：電機無法啟動或啟動異常、電機溫度過高。

電機無法啟動或啟動異常的故障原因及解決措施：

1) 輸電線路故障。電機無法供電，應當檢查電機供電線路。

2) 電機斷電自鎖。應當檢查各保護系統是否運行，運行結束斷電復位。

3) 電壓過低。應當檢查供電電壓是否正常。

電機溫度過高的故障原因及解決措施：

1) 帶式輸送機超負荷運行。應當利用鉗形電流表測量負載狀態下電機的工作電流，若超過銘牌的額定電流，則電機過載。檢查電機軸承狀態，是否出現卡死，計算電機負載，應當盡量減輕負荷。

2) 潤滑不良。應當及時補充各傳動部件的潤滑油。

3) 電機風扇落灰。應當定時清理電機通風口與風扇。

2.2 減速器故障分析

減速器失效形式主要為漏油和過熱，其中減速器漏油的故障原因及解決措施如下[7-8]：

1) 外殼破裂。應當修補外殼，在軸承端部加擋油盤。

2) 密封裝置破損或老化。應當定期更換密封圈，擰緊緊固螺栓。

減速器內潤滑油溫度超過40℃，認為減速器過熱，主要原因及解決措施如下：

1) 油量過少或使用時間過長。應當按照標準注油，并及時更換。

2) 工況惡劣，軸承損壞。應當處理減速器內部，更換損壞部件。

2.3 托輥故障

托輥主要由外殼、軸承、軸與密封件等組成，常見的故障形式包括：外殼磨損、軸承損壞以及主軸彎曲變形等。

托輥表面與軸承之間產生摩擦力，當托輥的旋轉切線方向與皮帶運行方向之間存在夾角，會導致托輥外殼與軸承之間的磨損加劇，隨著設備運行，還會造成托輥軸斷裂等現象。輸送過程中，將煤料、油污等雜質帶入軸承中，污染潤滑油，造成軸承劇烈磨損。當輸送帶上物料重力分配不均時，在長期惡劣工作環境下，會造成托輥一端的載荷較大，使得托輥主軸彎曲變形。

托輥為帶式輸送機的重要組成部分，損壞后會造成皮帶打滑、皮帶撕裂及異常損耗等情況，應當定期對托輥的軸承、主軸進行檢測，及時更換潤滑脂和清理雜物，在運輸過程中，避免物料載荷不均的情況。

2.4 滾筒故障

滾筒的主要故障形式包括：包膠損壞、筒體壓裂、軸損壞與軸承座損壞。在帶式輸送機運行時，當滾筒與皮帶的運行摩擦力大于材料允許范圍時，兩者之間會形成微小位移，造成包膠的磨損。當帶式輸送機長時間高負荷運轉時，滾筒載荷較大，在焊接質量較差的情況下，滾筒會出現壓裂開焊。應當提高焊接工藝，焊縫質量達到JB1152—81Ⅱ級標準，焊接時首先采用混合氣體打底焊，然后采用埋弧自動焊接，保證焊縫根部熔透但不焊穿。

由于滾筒加工時存在誤差或表面污穢，造成表面直徑大小不一。如圖2所示，輸送帶與滾筒之間的牽引分力與皮帶運行方向產生傾角，造成皮帶的跑偏，如果長期工作，會造成滾筒軸的損壞或斷裂。當帶式輸送機運輸坡度較大，滾筒軸承在長期高負荷運轉下，軸承座較易損壞。

圖2 滾筒直徑不一受力示意圖Fig.2 Forces on the roller at different diameters

滾筒安裝位置誤差或直徑不一致造成的皮帶跑偏，應當盡快檢修或更換，短期內可通過調節帶式輸送機頭部與尾部的滾筒方向，保持輸送帶張緊力，實現皮帶的調整，具體調整方法如圖3所示。在潮濕工作環境下，可在滾筒表面加松香防止打滑，定期更換軸承內的潤滑油。

圖3 滾筒調整方法Fig.3 Roller adjustment method

3 監控系統研究設計

3.1 系統方案設計

通過上文對帶式輸送機各部件故障類型的分析，找出了造成故障的主要原因與解決維護措施，為了能夠監測帶式輸送機的運行狀態，及時發現并處理故障，還需建立在線監控系統。監控系統由監控分站與各類傳感器組成，具體結構及位置分布如圖4所示。監控分站包括處理器模塊與液晶顯示模塊等外部設備接口。處理器模塊負責采集信息的處理與分析，將各部件運行數據與數據庫進行信息對比，診斷故障狀態。液晶顯示模塊負責數據的直觀顯示，方便工作人員及時了解帶式輸送機的故障狀態。傳感器模塊包括溫度傳感器、煙霧傳感器、堆煤傳感器、速度傳感器、撕裂傳感器、振動傳感器與跑偏開關等。跑偏開關安裝于機頭部、機尾部與中間位置。當輸送帶觸碰到開關時，托輥發生偏轉，發出跑偏故障信號。

圖4 監控系統方案設計Fig.4 Monitoring system design

3.2 系統硬件選型

監控分站以嵌入式處理器為核心，綜合考慮系統功能與實際應用情況，選用ARM系列S3C2440AL芯片。系統采用GWD100礦用溫度傳感器采集帶式輸送機運行環境的溫度信號，此傳感器可抵抗煤塵等因素的干擾，具有較高的可靠性。采用PT100型熱敏電阻溫度傳感器測量電機、減速器等設備的溫度信號，可測溫范圍為-200～800 ℃，精確度達±0.03 ℃。采用GQL氣敏式煙霧傳感器，探測火災引起的煙霧，用于火災報警功能。采用GMP-D轉速傳感器測量電機輸出軸的轉速，判斷電機是否無法正常啟動，轉速傳感器的測量范圍為0～2 000 r/min。GUJ30堆煤傳感器與分站處理器導通，當傳感器輸出高電壓時，實現堆煤保護功能。采用GBC80礦用振動傳感器，用于滾筒、減速器、電機等設備軸承的振動信號檢測，判斷是否存在異常抖動。撕裂傳感器GVD1200安裝于上下輸送帶之間，當輸送帶撕裂與傳感器觸碰，發出高電壓故障信號[9-10]。

4 系統數據庫推理

除此之外還應當建立皮帶機工況參數與故障之間的對應關系，建立全面的故障數據庫。在分析過程中將各部件故障看作單獨事件，將各故障原因與解決措施作為該事件的子集，每一個子集反應一種故障狀態，任意子集都會導致該故障事件的發生。

數據庫采用框架表示法對故障信息及維護措施進行描述，故障類型編碼為：“G”+故障事件兩位編碼+子事件兩位編碼+故障原因兩位編碼，如由輸送電路故障引起的電機無法供電編碼為：

G01(電機故障)+01(電機無法供電)+01(輸送電線路故障)=G010101.

故障診斷系統根據輸入的帶式輸送機工況參數和故障閾值信息，選擇合適的故障數據庫進行推理，尋找相應的故障事件與子集，其推理流程如圖5所示。系統根據框架表示規則與事件編碼進行查找。若信息與故障數據庫規則不匹配，反饋給用戶，對故障數據庫規則修改完善；若匹配則判斷各參數是否超過閾值，未超過則輸送機正常。在判斷過程中不斷添加相關案例，提高系統的診斷精度。

圖5 故障數據庫推理流程Fig.5 Fault database reasoning process

監控系統利用推理機制，在實際應用中不斷完善數據庫規則，逐漸提高監控系統的診斷精確度與速度，保證工作人員及時有效地做出維護措施。系統應用6月后，故障診斷準確度如表1所示。

表1 系統應用完善效果Table 1 Optimization effects of system application

5 結束語

本文提出了一種帶式輸送機故障診斷及監控系統，建立相應的硬件系統與故障數據庫，針對不同故障類型與故障原因，設定相應維護措施。利用傳感器信息采集與信息處理技術，實現帶式輸送機工況參數的分析，準確分析故障原因。