礦用皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

崔文亮

（陽煤集團(tuán)平定裕泰煤業(yè)有限公司， 山西 平定 045200）

1 研究背景及意義

皮帶機(jī)是煤礦生產(chǎn)中常用的連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，而煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，尤其對(duì)于運(yùn)距長(zhǎng)、運(yùn)量大的主運(yùn)輸皮帶，檢修維護(hù)工程量大，在檢修技術(shù)及管理相對(duì)較差的情況下，有可能導(dǎo)致皮帶故障發(fā)生，給礦井正常生產(chǎn)帶來隱患，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引發(fā)機(jī)器損毀及人員傷亡的惡性事件。因此，對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，識(shí)別并判斷故障發(fā)生類型及部位，及時(shí)進(jìn)行響應(yīng)并報(bào)警，對(duì)于保證皮帶機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)具有重要的意義。

2 皮帶機(jī)常見故障及故障識(shí)別方法

皮帶機(jī)在運(yùn)行過程中常會(huì)遇到：皮帶打滑、皮帶縱向撕裂、皮帶跑偏、托輥運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活、皮帶火災(zāi)事故、皮帶堆料、皮帶斷裂等故障。在平時(shí)的生產(chǎn)工作中要對(duì)皮帶運(yùn)行中各類故障發(fā)生的原因及特點(diǎn)進(jìn)行分析，以便能夠及時(shí)采取相關(guān)維護(hù)措施。

1）皮帶打滑故障。若輸送帶的運(yùn)行帶速與驅(qū)動(dòng)滾筒的線速度不相同時(shí)，導(dǎo)致打滑故障的產(chǎn)生，速度偏差越大則打滑現(xiàn)象也越嚴(yán)重。針對(duì)此類故障，可通過在關(guān)鍵部位布置帶速傳感器，對(duì)這些位置的帶速v1、v2、v3等進(jìn)行測(cè)量并記錄，與此同時(shí)通過轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒的線速度v進(jìn)行測(cè)量，若皮帶出現(xiàn)打滑故障，則v1=v2=v3=…≠v，以此來進(jìn)行故障識(shí)別。打滑同時(shí)會(huì)引起輸送帶摩擦過熱等現(xiàn)象[1-2]。

2）皮帶縱向撕裂故障。皮帶撕裂故障常發(fā)生于皮帶裝載點(diǎn)附近，高速下落且?guī)в型黄鸹蚶饨堑奈锪先菀讓⑵澠?，若其卡在機(jī)架或者托輥上，則會(huì)對(duì)皮帶產(chǎn)生持續(xù)劃傷，最終引起皮帶的撕裂。皮帶撕裂故障可通過安裝縱撕開關(guān)來進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)皮帶發(fā)生縱向撕裂故障時(shí)，開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)將會(huì)發(fā)生變化，由此可以判斷皮帶是否發(fā)生縱向撕裂故障。

3）皮帶跑偏故障。當(dāng)輸送帶在運(yùn)行過程中給料不正或者發(fā)生老化等現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致輸送帶偏離運(yùn)行的中心線而發(fā)生跑偏現(xiàn)象。通過在機(jī)架安裝跑偏開關(guān)對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)皮帶發(fā)生跑偏時(shí)，會(huì)作用于擺桿導(dǎo)致其左右擺動(dòng)，開關(guān)組里面的微動(dòng)開關(guān)發(fā)生動(dòng)作，可根據(jù)開關(guān)變化情況來判斷皮帶的跑偏程度，跑偏開關(guān)的彈簧會(huì)防止擺桿變形過大而導(dǎo)致開關(guān)損壞。

4）托輥轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活。托輥轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活可以采用測(cè)量托輥轉(zhuǎn)速的方式來判別，但由于皮帶機(jī)上所用托輥數(shù)量眾多，如果在每個(gè)托輥上都安裝轉(zhuǎn)速傳感器耗資巨大，在實(shí)際生產(chǎn)中并不具有可行性，針對(duì)該類故障還應(yīng)采用維護(hù)過程中人工識(shí)別的方法來進(jìn)行。

5）皮帶火災(zāi)事故。皮帶機(jī)屬于火災(zāi)重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象，若發(fā)生火災(zāi)則會(huì)給礦井安全生產(chǎn)帶來不可逆轉(zhuǎn)的后果。引起皮帶火災(zāi)事故的主要原因有皮帶打滑升溫及外因火災(zāi)等，可通過在皮帶機(jī)布置煙霧傳感器和溫度傳感器來進(jìn)行火災(zāi)故障識(shí)別。

6）皮帶堆料事故?？赏ㄟ^堆煤開關(guān)對(duì)皮帶堆料故障進(jìn)行識(shí)別，堆煤開關(guān)電極正常情況下處于懸空狀態(tài)，不會(huì)與地面接觸，如果發(fā)生堆料故障，則電極與堆煤接觸，從而形成閉合回路，堆煤開關(guān)發(fā)生動(dòng)作，由此可識(shí)別堆煤故障。

7）皮帶斷裂故障。針對(duì)該類型故障，可通過皮帶運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)法、速度檢測(cè)法、張力檢測(cè)法、垂懸度檢測(cè)法及磁場(chǎng)變化法等進(jìn)行檢測(cè)。本研究系統(tǒng)中，通過速度檢測(cè)法和張力檢測(cè)法相結(jié)合的方式來進(jìn)行故障識(shí)別，當(dāng)皮帶發(fā)生斷帶故障時(shí)，斷帶處兩側(cè)的帶速將不再相等且張力會(huì)減小，若發(fā)生上述現(xiàn)象，則可斷定皮帶發(fā)生斷帶故障。

8）減速器故障。通過采用速度振動(dòng)傳感器可以測(cè)量減速器的振動(dòng)劇烈程度，若超過設(shè)定的閥值時(shí)，則可以判斷減速器已經(jīng)發(fā)生故障[3-4]。

3 皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)及原理

皮帶機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本案攝像機(jī)安裝在皮帶機(jī)頭和機(jī)尾，通過交換機(jī)將采集的圖像傳遞給監(jiān)控室，溫度傳感器及堆煤開關(guān)等通過智能儀表傳遞到可編程控制器，電子皮帶秤通過傳輸端口進(jìn)入可編程控制器，轉(zhuǎn)速傳感器及斷帶抓捕裝置經(jīng)由輸入模塊將所采集到的信號(hào)傳輸?shù)娇删幊炭刂破?，可編程控制器將所有傳輸進(jìn)來的信號(hào)再經(jīng)交換機(jī)處理后進(jìn)入監(jiān)控電腦。監(jiān)控電腦將實(shí)時(shí)顯示皮帶運(yùn)行狀態(tài)，若皮帶發(fā)生故障將顯示出故障發(fā)生部位及原因，并及時(shí)報(bào)警，同時(shí)監(jiān)控電腦可將皮帶機(jī)的歷史運(yùn)行趨勢(shì)曲線自動(dòng)生成報(bào)表數(shù)據(jù)并保存。

圖1 皮帶機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.2.1 各類傳感器的型號(hào)選擇及合理布置

根據(jù)皮帶機(jī)具體情況及所需監(jiān)測(cè)參數(shù)，選擇合適的傳感器并合理進(jìn)行布置，這樣可以提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，以取得良好的監(jiān)測(cè)效果。

1）轉(zhuǎn)速傳感器及帶速傳感器的選型與布置。通過布置轉(zhuǎn)速傳感器和帶速傳感器可以對(duì)輸送機(jī)斷帶、打滑等故障進(jìn)行判斷，同時(shí)輔以溫度及張力傳感器等可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性。這兩種傳感器應(yīng)選擇經(jīng)過煤安認(rèn)證的本質(zhì)安全型傳感器，在驅(qū)動(dòng)滾筒和改向滾筒軸上安裝轉(zhuǎn)速傳感器，以測(cè)得兩滾筒的線速度。帶速傳感器安裝在皮帶下方的皮帶機(jī)架上，且速度傳感器測(cè)速輪的軸線與皮帶的運(yùn)行方向應(yīng)保持垂直，并相接觸，同時(shí)應(yīng)施加一定的預(yù)緊力，以防止二者間出現(xiàn)滑動(dòng)摩擦。理論上帶速傳感器布置越多，越容易判斷斷帶位置，綜合考慮經(jīng)濟(jì)及技術(shù)要求，在易發(fā)生斷帶位置布置帶速傳感器即可。

2）縱向撕裂開關(guān)的選型與布置?？v向撕裂開關(guān)選用磁感應(yīng)方式的KPJ1A型開關(guān)，該種開關(guān)在煤礦井下有煤塵與瓦斯的環(huán)境中有很好的適應(yīng)性，縱向撕裂開關(guān)通常安裝在落料口附近的皮帶機(jī)架上。

3）跑偏開關(guān)的選型與布置。跑偏開關(guān)選擇KGE9A型開關(guān)，在皮帶機(jī)頭、機(jī)尾及機(jī)身一定距離安裝跑偏開關(guān)，充分考慮擺桿的動(dòng)作范圍，保證跑偏開關(guān)的動(dòng)作靈活及運(yùn)行正常。

4）煙霧開關(guān)的選型與布置。煙霧開關(guān)選擇KGV1型開關(guān)，在有瓦斯與煤塵爆炸危險(xiǎn)及易發(fā)火災(zāi)場(chǎng)所能夠靈敏反應(yīng)，該開關(guān)具有檢測(cè)電路靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、功率消耗小及維修簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，不論是火災(zāi)發(fā)生初期的不可見煙霧或者火災(zāi)發(fā)生后的可見煙霧，均能夠穩(wěn)定檢測(cè)，能夠避免因粉塵引起的誤報(bào)，通常將煙霧開關(guān)安裝在皮帶下風(fēng)口5～50 m 內(nèi)[5]。

5）堆煤開關(guān)的選型與布置。堆煤開關(guān)選擇KGU3B型，將堆煤開關(guān)懸掛于落料口需要檢測(cè)的物料點(diǎn)上方，根據(jù)檢測(cè)需求選擇適宜長(zhǎng)度的金屬桿并將其吊掛于電極上，同時(shí)外殼通過導(dǎo)線接地即可。

6）振動(dòng)傳感器的選型與布置。本系統(tǒng)選用的振動(dòng)傳感器采樣頻率可達(dá)到最高頻率的10倍，將其安裝在減速器外殼上以獲得減速器的振動(dòng)信號(hào)，以得知驅(qū)動(dòng)滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

7）溫度及張力傳感器的選型與布置。選用PT100型溫度傳感器，沿皮帶軸向每隔一定距離布置一個(gè)溫度傳感器，在火災(zāi)易發(fā)區(qū)域可以適當(dāng)增加，在驅(qū)動(dòng)滾筒及電機(jī)上也應(yīng)安裝溫度傳感器，以協(xié)助皮帶打滑故障的判斷。在拉緊裝置與皮帶間安裝拉力傳感器，來進(jìn)行皮帶張力的測(cè)量，以協(xié)助斷帶故障的測(cè)量。

8）急停開關(guān)的選型與布置。在皮帶機(jī)傳輸方向每隔一定距離安裝一個(gè)KPG3急停開關(guān)，在人工巡檢發(fā)現(xiàn)皮帶故障時(shí)，可以及時(shí)關(guān)停皮帶。

3.2.2 信號(hào)采集

皮帶機(jī)控制柜距離皮帶機(jī)及各傳感器距離較遠(yuǎn)，因此通過智能儀表將各傳感器采集的信號(hào)打包并以總線的方式傳輸給可編程控制器。采用總線技術(shù)可以大量減少電纜及端子鋪設(shè)量，減小環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾，安裝及調(diào)試工程量小，故障率低，便于日常維護(hù)。最終建立的硬件平臺(tái)如下頁圖2所示，各種傳感器與監(jiān)控柜端口相連接，而監(jiān)控柜通過網(wǎng)線或光纖與地面監(jiān)控主機(jī)相連接，從而對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行過程進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語

通過對(duì)皮帶常見故障類型及識(shí)別方法研究，合理選擇傳感器及保護(hù)開關(guān)型號(hào)并安裝，最終建立運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完善了皮帶機(jī)控制理論及實(shí)踐，然而井下環(huán)境復(fù)雜多變，相應(yīng)設(shè)備元件精度及可靠度還有待提高，因此還需進(jìn)行不斷深入研究與實(shí)踐。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)構(gòu)成