自動化監(jiān)測技術在礦用設備安全防護中的應用

凌佳韻

（西南交通大學，四川成都 614203）

1 濃密機安全防護的重要性

濃密機是重要的礦石加工及清洗設施，是選礦過程中的核心設備。除了選礦領域，其在污水處理、冶金、化工等需要固液分離的領域也有廣泛應用。濃密機是一種大型礦用設備，其直徑一般為3～100 m，目前最大直徑已經達到180 m，因此其安全性極為重要。

濃密機工作原理是借助于固體顆粒自身重力，使礦漿分為低濃度和高濃度兩個部分，這個過程即為濃縮過程。由于給礦量和排礦量隨時發(fā)生變化，濃縮過程濃密機受力狀態(tài)也隨時變化。由于工作過程中其內部情況不便直接觀察，有很大隱蔽性。濃密機的材料多數為鋼材，其破壞形式往往是塑性或屈服破壞，是一個發(fā)展的過程，存在可識別的破壞征兆及破壞趨勢。如果可以在結構安全事故發(fā)生前發(fā)現識別故障征兆，并及時進行處理，就可以避免事故的發(fā)生。因此，濃密機的安全監(jiān)控，特別是工作過程的安全監(jiān)控尤為重要。

2 自動化監(jiān)測技術概述

自動化監(jiān)測技術是20 世紀60 年代新興的一種全新的結構安全防護手段，其特點是數據采集自動化、數據處理自動化、數據分析自動化。其實施流程是通過傳感器采集敏感物理量，對采集到的物理量進行信號轉化和傳輸，再通過無線網絡傳輸到云端，最終呈現為可視化的數據，使得技術人員可以方便地在PC 端、手機端實時查看數據。如果數據發(fā)生異常，自動監(jiān)測系統會第一時間預警，同時系統可以對采集的數據進行統計、分析，判斷結構物本身的安全情況及發(fā)展趨勢。隨著物聯網、大數據、信息化的高速發(fā)展，自動化監(jiān)測技術的主要特點是去人力、全天候、不受復雜環(huán)境制約、數據實施收集、異常情況第一時間發(fā)現并發(fā)出預警，其實施架構如圖1 所示。

圖1 自動化監(jiān)測系統架構

由圖1 可知，自動化監(jiān)測全程避免了人為參與，保證了復雜環(huán)境下人員的安全問題。數據采集主要是由傳感器完成，整個過程不受時空影響，可以全天候、全周期、無間斷地實現數據采集[1]。數據傳輸由傳輸單元完成，保證了數據的及時性。數據存儲和展現由監(jiān)測平臺實現，減少了人為因素，特別是經驗誤判的影響，數據統計的效率也因為平臺強大的數據處理功能得以大大提高，并可以通過對海量數據的統計及分析預判安全趨勢，挖掘破壞規(guī)律[2-3]。

3 自動化監(jiān)測技術在濃密機安全防護中的應用

某濃密機直徑11 m，深度15.445 m，具體構造如圖2 所示。濃密機支腿采用HM600×300 工字鋼，主梁采用雙拼63a 工字鋼，上側壁為10 mm 厚鋼板，錐體部分為16 mm 鋼板，下側壁為25 mm 鋼板。支腿鋼材為Q235，側壁鋼材為Q345b。根據鋼結構設計規(guī)范，Q345b 鋼材抗拉強度為450～630 MPa；鋼板厚度小于等于16 mm 時，屈服強度為345 MPa，厚度為16～40 mm時屈服強度為335 MPa。

圖2 濃密機構造

由于濃密機的工作重心較高、工作周期較長，選礦工作日夜進行，受現場地質條件限制，雖然基礎做了大面積強化加固處理，但目測仍有局部的細微沉陷，現場不方便設置觀測站。且距離項目部較遠，所處位置交通不便，故現場管理人員研究后決定采用自動化監(jiān)測手段，對其受力及變形情況進行全天候監(jiān)控。

本文采用了知物云綜合監(jiān)測系統，在監(jiān)測過程中遵循實用性、可靠性及經濟性的原則，監(jiān)測因素選取應變、撓度兩種作為主要安全評價指標，以判斷濃密機的安全性。整個監(jiān)測系統由22 個應力應變計、11 個靜力水準儀、2 個數據采集模塊、4 個數據傳輸模塊組成。傳感器布置點位按照結構最不利位置考慮，主要布置在側壁、椎體及支腿3 個主要最不利受力點處。

此處為說明問題，只選取應變結果進行分析，分別選取直徑變化處及椎體底部兩個側壁點位以及支腿一個點位監(jiān)測的結果，其應變監(jiān)測數據如圖3 所示。

圖3 側壁及支腿應力監(jiān)測時程曲線

由應變監(jiān)測結果可以看出，由于外荷載一致，所以三者變化趨勢基本一致。其中支腿應變相對較小，側壁變截面處應變和椎體底部應變較大，最大的為椎體底部，即濃密機的壓縮區(qū)應力最大、直徑變化處的沉降區(qū)次之，監(jiān)測結果和濃密機實際工作情況吻合。此處應變單位為102，可知實測最大應力分別為：

為判斷監(jiān)測的準確性，同步對濃密機進行了理論計算分析建立有限元模型（圖4），得到椎體及支腿的剛度結果如圖5、圖6 所示。

圖4 濃密機有限元模型

圖5 濃密機側壁及椎體鋼板應力

圖6 濃密機支腿應力

由圖5 可知，側壁理論最大拉應力為313.8 MPa；由圖6 可知，支腿理論最大壓應力為53.2 MPa。實測結果及理論計算結果對比見表1。

表1 實測與理論結果對比

由表1 的對比結果可知，對應點位的實測結果普遍小于理論計算結果，存在偏差的原因是因為理論計算結果荷載取值、計算系數一般偏保守。另外，理論計算過程做了較多的假設，如支腿按照固結考慮、構件之間未考慮鉸接因素、焊縫按照理想化處理等，這些因素均會導致結構過剛，從而導致理論計算結果和實際測量結果產生一定誤差。但由對比結果可知，兩者偏離度較小且均滿足規(guī)范要求。

自動化監(jiān)測是全天候監(jiān)測，產生的數據為線性數據，與現場人員觀測的點狀數據相比，不會漏掉任何的突發(fā)情況，充分保障全作業(yè)過程的安全。根據線性數據可以對被觀測對象的發(fā)展趨勢做出判斷，有效發(fā)現識別事故征兆，使安全事故防患于未然[4]。

如果有突發(fā)狀況引起數據劇烈變化，系統將按照設置的預警閾值第一時間發(fā)出預警，并通過短信等形式及時通知現場人員第一時間采取補救措施。

4 結束語

在濃密機的安全防護工作中應用自動化監(jiān)測技術可以去人力、降成本、大大減低人為參與、避免時空制約，有效解決了復雜環(huán)境中人員的安全問題，并減少了人員經驗誤判以及肉眼觀測引起的誤差。人員參與的降低大大減少了投入成本。自動化監(jiān)測系統實現了被測對象全天候、全作業(yè)周期的監(jiān)測，不僅可以保證所有突發(fā)狀況被及時捕捉并發(fā)出預警，還可以通過對數據趨勢的變化預判未來一段時間的發(fā)展趨勢，從而做到防患于未然。

濃密機內部工作情況很難可視化，但其結構本身所受外荷載作用變化區(qū)間較大，工作時間全天候，使得人工檢測的困難較大。應用自動化監(jiān)測技術可以容易地克服上述困難，且準確性和可行性有充分保障，所以自動化監(jiān)測技術可以在濃密機的安全防護工作中推廣應用。

由于自動化監(jiān)測依然屬于新興事物，在高速發(fā)展的同時也存在一些問題，對未來自動化監(jiān)測技術的發(fā)展有如下建議：①加強數據利用研究[5-6]。自動化監(jiān)測會采集到海量數據，但目前做多的還是極值判斷，對數據的利用率極低，充分挖掘數據并做出趨勢判斷，對海量數據進行規(guī)律研究，是接下來研究的重點；②建立、健全相關標準及規(guī)范。由于自動化監(jiān)測技術尚處于發(fā)展初期，盡管優(yōu)勢明顯，但因為監(jiān)測樣本不足，對應的行業(yè)規(guī)范或者行業(yè)標準目前還比較少[7]，大家對安全的評價標準差異較大，盡快形成行業(yè)規(guī)范[8]，將會大大推動自動化監(jiān)測技術的健康快速發(fā)展。