輸送機在線斷帶預警系統的研究與應用

劉建忠

(華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000)

1 概 述

煤炭運輸安全是煤礦安全生產的重要環節之一，大多煤礦都采用長距離鋼絲繩芯輸送帶運送煤炭。由于輸送帶運行荷載量大、帶面磨損及老化等原因，會造成鋼絲繩芯銹蝕、斷裂、鋼絲繩芯與輸送帶的粘合力下降及接頭拉斷等故障。故障一旦發生，將會導致整個煤礦生產系統癱瘓。而現有斷帶預警成果多注重研究輸送帶的靜態檢測，輸送帶表面磨損修復大多依靠目測和經驗來判斷輸送帶磨損程度與修復的必要性。當前，對于煤炭輸送帶的實時動態無損檢測和輸送帶表面磨損自動修復的研究尚無大量展開。因此，為了降低生產安全事故，提高煤礦生產效率，對帶式輸送機在線斷帶監測及輸送帶表面磨損檢測系統的研究十分必要。

2 輸送帶在線斷帶檢測預警系統

2.1 結構與設計

輸送帶在線斷帶檢測預警系統由預埋在輸送帶內的釤鈷磁釘、射頻線圈和檢測箱體組成。

(1)釤鈷磁釘直徑5 mm，厚度3 mm。磁極在圓面側，使用時在同名磁極做好記號。

(2)射頻線圈內徑50 mm，外徑55 mm平繞。

(3)檢測箱體根據現場制作成長1 600 mm，寬250 mm，高150 mm。接頭長度檢測裝置包括霍爾傳感器、信號電路，接頭位置檢測裝置包括射頻接收器、信號電路，檢測系統板卡以及電源模塊均安裝在檢測箱體內。

(4)應用軟件包括位置模塊、速度模塊、長度及判斷模塊、支撐軟件，均安裝在礦用防爆計算機上，礦用防爆計算機通過礦用防爆交換機與服務器相聯。

2.2 工作原理

2.2.1 射頻傳感器工作原理

射頻傳感器線圈埋于每個接頭前方的邊膠(輸送帶)內，接收器置于輸送帶邊膠上方，接收射頻線圈信號。其作用為辨別接頭編號及其他預置信息(如接頭制作時間、維修保養時間、責任人等)，并將這些信息存入后臺數據庫。

2.2.2 霍耳傳感器工作原理

釹磁鐵釘埋于每個接頭前方和后方的邊膠(輸送帶)內，2只霍爾傳感器接收器做為1組，置于輸送帶邊膠(輸送帶)上方。當接頭前方的釹磁鐵釘1觸發霍爾傳感器接收器(組件2)開始3個計時，觸發霍爾傳感器接收器(組件1)時第1個計時結束；當接頭后方的釹磁鐵釘2觸發霍爾傳感器接收器(組件2)時，第2個計時結束；觸發霍爾傳感器接收器(組件1)時第3個計時結束。由于2只霍爾傳感器接收器之間的距離非常精確，用第1個、第3個計時時間計算輸送帶的即時速度，用第2個計時時間乘以即時速度，計算出接頭長度，并與后臺數據庫中原始長度進行比較，計算接頭伸長累積量，達到相關指標時，預警或停機。

傳感器組件檢測到射頻信號與磁信號經USB數據線上傳到計算機數據庫中，識別接頭編號，記錄時間，計算即時速度與接頭長度，將接頭長度與數據庫標準接頭長度進行比較，得到接頭伸長量。為防止輸送帶撕邊或跑偏，傳感器組件雙側安裝。

2.3 系統功能及技術參數

斷帶檢測系統的功能包括：斷絲檢測預警、抽頭檢測預警、扭曲檢測預警和接頭伸長量預警。JT1000帶式輸送機在線斷帶監測系統的主要技術參數見表1。

表1 JT1000帶式輸送機在線斷帶監測系統的主要技術參數

3 技術創新點

(1)輸送帶在線斷帶檢測預警系統主要進行鋼絲繩芯輸送帶接頭檢測，并兼顧無接頭處輸送帶檢測。利用射頻傳感器確定接頭位置，利用霍爾傳感器精確測量輸送帶運行芨接頭長度量，將測量量與標準量進行比較，計算出變形量。當變形量大于設定值時啟動報警系統。精確定位和確定接頭位置、接頭變形量、鋼絲繩接頭抽動量以及鋼絲繩的斷裂情況。同時對故障點數據分析，提出預警方案，進而組成輸送帶安全預警系統，使得輸送帶故障在源頭得以控制，提高煤礦生產的安全指數，解決輸送帶在線運行中實時檢測存在的問題。

(2)霍耳傳感器接收器安裝的距離精度可以實現毫米級，時間測量可以達到納秒級。輸送帶運行后，去除干擾因素，測量出接頭長度的變化量精度可以達到1 mm，報警信息準確。

(3)實時監測裝置采用高精度傳感器(X軸精度0.06 mm，Z軸精度0.005 mm)、X光厚度檢測等傳感器組成的設備，輸送帶測量速度達到15 m/s；磨損面積測量精度達到小于實際磨損面積的1%；深度測量精度達到小于磨損深度的2%，完全能夠滿足磨損面積與磨損體積的測量要求。

4 應用效果

輸送機在線斷帶預警系統檢測設備于2020年7月28日在二礦排矸主運輸送帶機頭機房安裝使用，投入使用后情況良好，實現了預期目標，運行穩定，完全符合使用要求。

(1)輸送機在線斷帶警系統，實現了鋼絲繩芯輸送帶的數字化，對鋼絲繩芯輸送帶的內部及外部的失效特征的檢測，對輸送帶鋼絲繩芯斷絲、抽頭、扭曲、接頭長度變化等失效特征捕捉準確，滿足了設計要求。

輸送機在線斷帶預警系統抓取的失效特征如圖1。圖2為運行以來出現的扭曲、鼓包時記錄下的圖片，為現場及時處理問題提供了可靠的依據。

圖1 輸送帶接頭鋼絲繩扭曲產生膠帶表面鼓包磨損嚴重

圖2 鼓包磨損處

(2)輸送帶表面磨損自動檢測系統利用機器視覺、紅外結構光三維重建技術，重建輸送帶表面。紅外光源、線掃結構光柵、紅外線掃相機構成多目結構光系統，利用相關算法重建輸送帶表面深度地形圖(等高圖)，將磨損面積及深度數據與標準值比較，當達到或超過預設值時啟動報警系統。2021年3月5日出現報警發現5號頭22 m處磨損超過設定值。后經專業技術人員實測，磨損面積的測定值和實際磨損的值基本一致，誤差少于磨損的1%。

1008帶式輸送機上安裝在線斷帶預警系統運行至今，發現皮帶故障5次，此系統實現了自動定位、自動監測、組成了1008帶式輸送機的安全預警系統，保證了1008帶式輸送機安全有效運行。

5 效 益

輸送機在線斷帶預警系統的使用，實現了鋼絲繩芯輸送帶的數字化，能夠大大降低斷帶的風險，有效降低帶式輸送機巡檢工的工作強度，同時管理上有據可依，節省人力成本；為煤礦帶式輸送機在線安全預警體系打下了堅實的基礎。