帶式輸送機縱撕斷帶斷絲監測系統設計應用*

徐麗娜

(晉能控股煤業集團 永定莊煤業公司創新公司，山西 大同 037003)

0 引 言

在煤礦物料輸送過程中，帶式輸送機是最重要的物料輸送機電設備[1]。隨著當前煤礦井下工作強度的不斷增加，煤礦帶式輸送機的運量變得越來越大，在長時間運行過程中時常會出現帶式輸送機故障[2]。輸送帶是帶式輸送機中的關鍵部件，起著承載作用和物料輸送作用。當輸送帶在長期的、高負荷的復雜環境中運行時，它的可靠性會有所下降，尤其在每一個轉載點非常容易受尖銳物的作用而出現縱撕。且輸送帶在長期運行過程中非常容易引起內部斷絲，當內部的斷絲達到一定程度將會引起輸送帶的斷裂，從而引發帶式輸送機斷帶事故[3-5]。帶式輸送機輸送帶是由內部鋼絲和外部橡膠通過硫化而成，由于內部鋼絲繩的斷絲檢測非常困難，所以現有的檢測技術主要是采用外部檢測，外部檢測無法建立鋼絲繩內部可視化模型，導致最終的檢測效果不好，因而當前檢測容易出現檢測結果不準確、檢測成本較高、檢測勞動強度大等問題[6]。筆者對帶式輸送機斷絲、斷帶和縱撕三類常見故障進行分析，提出了一種輸送帶智能檢測系統設計方案，該方案可以準確采集輸送帶內部鋼絲繩斷絲情況，可視化監控輸送帶內部鋼絲繩分布，有效避免輸送帶出現斷帶和縱撕事故，保證煤礦的安全生產。

1 縱撕、斷帶和斷絲故障分析

輸送帶是帶式輸送機上的關鍵部件，起到承載物料和輸送物料的作用。隨著煤礦運量的不斷增加，輸送帶在長時間滿載運行過程中會出現縱撕、斷帶和斷絲故障，非常容易引起煤礦事故[7]。

(1) 輸送帶縱撕故障原因及特征

從鋼絲繩芯輸送帶的運行過程來看，輸送帶在實際運行過程中經常會摻雜著大量的角鋼和槽鋼等物質，這些物質有尖銳的邊口，容易扎破輸送帶；當巷道出現冒頂事故時，有比較大的石頭掉落，輸送帶容易受到尖銳物沖擊導致出現縱撕。

(2) 輸送帶斷帶故障原因及特征

輸送帶本身處于張緊狀態，內部含有應力作用，所以輸送帶的斷帶往往都表現為突然的斷裂，斷帶后輸送帶內部能量會釋放進而產生比較大的聲音以及劇烈的機械能。斷帶原因主要有：輸送帶內部鋼絲繩的斷絲、腐蝕以及銹蝕等降低了輸送帶的強度；輸送帶硫化接頭斷裂或損傷導致在接頭位置處出現斷裂。輸送帶的斷帶故障以輸送帶的變形作為特征，并以內部鋼絲斷裂和變形作為事故的苗頭，為此在輸送帶斷絲的監測過程需要重點對內部的鋼絲繩進行檢測，對接頭位置的鋼絲繩變形進行檢測，加強對鋼絲繩輸送帶的橫向斷裂檢測[8]。

(3) 輸送帶斷絲故障原因及特征

輸送帶鋼絲繩的斷絲不同于鋼絲繩的斷帶和縱撕，它發生在輸送帶的內部，由于外部由橡膠包裹，因此對斷絲的檢測比較困難[9]。一般而言，內部鋼絲繩的斷絲包括局部斷絲、鋼絲繩交叉斷絲、鋼絲繩銹蝕斷絲等多種形式，當斷絲積累到一定程度會引起輸送帶斷帶，所以需要對輸送帶內部斷絲進行監測以預測輸送帶的狀態。傳統輸送帶的縱撕、斷帶和斷絲的檢測一直是由檢測工人完成，檢測過程需要使整個生產線停下來，工人的勞動強度比較大，檢測準確度不高，并且伴隨著危險工況非常容易出現人員傷亡，圖1所示為輸送帶縱撕和斷絲的傳統檢測現場圖。

圖1 輸送帶縱撕與斷帶檢測技術

通過對鋼絲繩芯輸送帶縱撕、斷帶和斷絲故障進行分析可以得出，輸送帶的縱撕斷帶事故往往都是由于內部斷絲所造成的，輸送帶故障的識別與監測最主要的是對輸送帶中鋼絲繩的監測，當檢測到內部斷絲時及時進行更換，可以有效避免輸送帶的斷帶事故。

2 縱撕斷帶斷絲故障監測系統方案

2.1 縱撕監測系統方案

輸送帶縱撕智能監測系統以縱撕監測控制模塊為核心，主要由激光發生器、攝像儀、輸送帶縱撕監測裝置主機、服務器和聲光報警系統等部分組成，圖2所示為縱撕智能監測系統總體技術方案。

圖2 輸送帶縱撕監測系統總體技術方案

如圖2所示，縱撕監測系統主要是通過激光發射裝置對輸送帶下表面發射激光，激光掃描后顯示出完整的皮帶表面的輪廓，然后由本安型攝像儀(1 024×768的高分辨率)對輸送帶進行高清拍攝。該攝像儀拍攝速度最高達到了82幀/s，它具有30 cm的縱向視野、0.3 μs的曝光時間，可以在皮帶運動速度≤32 m/s的情況下保證采集信號的完整性。圖3所示為總體監測方案布置圖。

圖3 縱撕總體監測方案

將采集到的數據通過數據傳輸總線輸入縱撕監測模塊中，對圖像信號進行處理和分析，通過井下以太環網將數據發送到上位機監控系統，得出是否發生縱撕故障。當出現縱撕故障時，將會在0.35 s的時間內觸發聲光報警器，并通知附近的人員進行維修。

2.2 斷帶監測系統方案

為了避免帶式輸送機在實際運行過程中發生斷帶事故，需要采集輸送帶的實際運行參數，為此，設計了多重信號斷帶監測系統方案。圖4所示為斷帶監測系統方案示意圖，多重信號監測包括對輸送帶的帶速檢測、輸送帶的張力檢測、驅動電機的電流信號檢測以及輸送帶斷裂狀態檢測，通過全方位的監測系統保證輸送帶在斷帶前進行預警。

圖4 斷帶監測系統方案

帶速信號編碼器監測是四重信號監測系統的核心，根據國內多例輸送帶的斷帶事故分析可知，斷帶事故發生在輸送帶最大張力點附近的概率達到95%左右。利用動張力分析法逐點分析可知，對于上運式輸送機，張力最大的點出現在輸送帶與驅動滾筒的切入點。如圖4所示，沿輸送帶布置了5個旋轉編碼器，一個編碼器位于機頭驅動滾筒的主軸上，用于實時監測驅動滾筒的速度，兩個編碼器分別位于承載輸送帶分支的下方，另有兩個編碼器位于回程分支的輸送帶的下方。在輸送機系統正常工作的過程中，輸送帶轉動帶動編碼器一起運動，信號采集系統即可通過采集編碼器運行的信息來判斷輸送帶的運行情況。

2.3 斷絲監測系統方案

輸送帶的斷絲發生在膠帶的內部，要想對內部的鋼絲繩進行檢測需要使用穿透射線進行照射。為此在斷絲監測系統中使用的是X射線。X射線的發射箱是由X射線的發送裝置、接收裝置、電路控制裝置和上位機系統組成，X射線發射裝置安裝在帶式輸送機的正下方，用于輸送帶信息的準確采集，其會形成一條綠色的檢測線，穿透輸送帶的外表面直接進入內部鋼絲層。圖5所示為X射線斷絲監測系統方案。

圖5 X射線斷絲監測系統方案

如圖5所示，X射線斷絲監測系統總體方案主要由X射線發射裝置、電路控制模塊、工控機和上位機監控系統等部分組成，由X射線發射模塊和電路系統組成了X射線處理箱，可以對帶式輸送機照射X射線并接收X射線的反饋信息，其中X射線發射裝置布置在輸送帶的下方，便于準確使用X射線對輸送帶進行照射，電路控制模塊主要由多種電路相互連接而成。

3 現場應用與監測效果

為了驗證輸送帶縱撕、斷帶和斷絲監測系統方案的正確性和合理性，在山西大同煤礦進行現場系統方案設計布置和應用，圖6所示為智能監測系統方案圖，其中圖6(a)所示為智能監測硬件結構，圖6(b)為軟件監控系統界面。

圖6 硬件裝置和上位機監控系統

采用縱撕、斷帶和斷絲監測系統對現場應用的長1 500 m的輸送帶進行檢測，并對所有的故障信息進行統計和自動生成歷史數據，可以得到如圖7所示的現場故障類型和輸送帶內部鋼絲繩效果圖。

圖7 輸送帶縱撕斷絲斷帶檢測系統應用效果

通過現場應用得出，該套帶式輸送機縱撕斷帶斷絲監測系統可以在輸送帶動態運行過程中完成對內部鋼絲繩的檢測，采用穿透性較強的X射線對輸送帶內部和外表面進行智能檢測，避免停機，大大減輕工人的勞動強度。在上位機端顯示出內部鋼絲的動態影像圖譜，可以清楚識別內部故障，實現了自動采集數據，自動分析和自動報警，并且可以對異常位置進行準確標定，識別準確率≥98.6%，誤報率≤1.4%，缺陷的定位誤差≤150 mm，取得了良好的應用效果。

4 結 語

針對帶式輸送機輸送帶常見縱撕、斷帶和斷絲故障檢測困難的問題，通過輸送帶縱撕、斷帶和斷絲特征分析，提出了輸送帶縱撕、斷帶和斷絲智能監測系統設計方案，并對總體方案進行了現場測試，現場應用表明，這套智能監測系統可以準確采集輸送帶內部斷絲狀況，有效避免煤礦事故發生，對于保證帶式輸送機的穩定運行具有非常重要的作用和意義；整個監測系統的識別準確率高達98.6%，缺陷定位誤差≤150 mm，具有良好的應用效果和巨大的經濟效益。