膠帶輸送機自動巡視設備設計研究與可行性分析

孟祥龍

(國能神東煤炭集團有限責任公司石圪臺煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

膠帶運輸機(簡稱膠帶機)在巷道中安裝，根據需求有幾十米至幾千米不同的安裝長度，膠帶機的沿線目前多采用人工巡視，耗時耗力，且無法及時發現沿線膠帶機的運行狀態，而經常出現的膠帶機帶面跑偏、縱向撕帶、機架磨損、托輥損壞等情況，往往只能在人工巡視時被發現，再進行檢修處理。目前多采用檢修前的巡視或生產運轉期間的人工巡視。為了解決膠帶機人工巡視耗時久、周期長、時效性差等問題，部分廠商以研制巷道巡視機器人的方式代替人工巡視，巡視機器人以蓄電池等設備自行走機器人為主，目前只能減輕人工巡視的勞動負荷，因此迫切地需要一種短時耗、高效率、低能耗、低成本、高效益的巡視設備。

1 設計方案

利用皮帶機巷道目前已具備的供電條件、網絡通信設施、頂板支護狀態等，在巷道頂板上分段安裝長度相同的軌道，配備直流電機牽引機構的巡視設備，以50～100 m為最佳狀態，在保證監測及時性和可靠性的基礎上，可將速度設定在0.1～0.5 m/s，實現單臺巡視設備對50～100 m范圍內的膠帶機在100～1 000 s內完成巡視，速度過快影響巡視效果，速度過慢會使巡視的周期過長，影響巡視的及時性。巡視設備在軌道上做往復運動，并記錄膠帶機的運行狀態通過通信系統上傳至服務器，當膠帶機運行過程中出現故障時，提供及時的聲光報警，并通過通信系統給予機頭操作人員報警提醒，同時通過通信網絡將報警信號傳送至集中控制室。如圖1所示。

圖1 膠帶機自動巡視設備組成、安裝示意Fig.1 Composition and installation of automatic inspection equipment for belt conveyor

1.1 總體規劃

安裝自動巡視設備：每50～100 m安裝一套自動巡視設備，慢速巡航以記錄膠帶機運行狀態，100～1 000 s時間完成一次巡視，200～2 000 s時間實現一次往復運動，返回至出發點，實現對50～100 m范圍內膠帶機運行狀態的完全監測監控、報警功能，并趨近于實時監測。

安裝滑道：將滑道安裝在膠帶機中心線上方的巷道頂板上，巷道頂板支護普遍采用錨桿、鐵質網片，支護條件好，巷道頂板穩定，在此基礎上使用短錨桿或其他簡單的固定材料即可完成滑道安裝。作為巡視設備的軌道，巡視設備可以在滑道上由鋼絲繩牽引做前后運動，不會左右運動，保證其運行的穩定性，在滑道兩側各安裝1個小型牽引電機、鋼絲繩絞車和牽引鋼絲繩，通過2條鋼絲繩的相互收放牽引，實現巡視設備的往復運動。

由于在滑道的兩端各安裝了1個牽引電機，同一時間內只能有1個牽引電機轉動，實現巡視設備的運動。機械機構上，可采用棘輪機構；電氣控制上，可使用繼電器進行控制回路的互相切換。當1臺電機轉動時，另一臺電機處于停電狀態，轉動的電機通過牽引鋼絲繩帶動巡視設備運行，另一端的鋼絲繩會隨之釋放，當電機運動到端點后切斷電源，同時另一臺電機通電運轉，如此反復，即可實現巡視機構的往復運動。

配備必要的服務器和存儲設備：可以存儲監測到的溫度、聲音、影像、圖像等數據信息，為分析故障的原因和應對方法提供參考資料，同時也可通過收集大量的數據，為膠帶機的運行狀態調整、優化提供數據支撐，更為發現巡視設備存在的缺陷、不足，改良、改善巡視設備提供數據、影像參考。

1.2 具備的功能

結合目前傳感器類設備的技術發展，為了進一步控制成本，該巡視設備采用市場上被廣泛使用的傳感器，可安裝有紅外熱量感應傳感器、攝像設備，以監測分貝或聲波波長為主的聲音監測設備，一氧化碳傳感器，煙霧傳感器，聲波雷達類設備，照明設備，網絡通信設備及其他附屬配件等。

紅外熱量感應傳感器：由于巷道內的環境溫度基本能夠在膠帶機正常運轉時保持相對穩定的狀態，當膠帶機沿線發生火災、帶面跑偏引起的磨皮帶架、帶面打滑等情況時，所對應的位置溫度會發生變化，紅外熱量感應傳感器會將探測到的高溫情況記錄下來，并預警。

攝像設備：①可以實時提供膠帶機運行的影像，便于遠程監控。當膠帶機出現異常狀態時，可提供自動拍照、錄像功能，形成影像資料。②由于巡視設備在軌道上前后運行時，左右位置相對穩定，膠帶機正常運行時左右位置也處于相對穩定的狀態，可通過攝像設備設置正常報警線，當膠帶機跑偏或發生縱向撕裂情況時，會通過相對位置的比較來判斷膠帶機運行異常，并發出監測、報警,甚至停車信號。

聲音監測設備：膠帶機正常運行，膠帶不跑偏、不灑煤、托輥不損壞時，聲音基本保持穩定，當發生跑偏、灑煤、托輥損壞等異常情況時，會發出不同的聲音，通過聲音監測設備，設定膠帶機正常運行時的聲音分貝值，當分貝值突然增加或發生變化時，提供監測、報警信號。

一氧化碳傳感器和煙霧傳感器：在膠帶機著火、打滑等產生煙塵、一氧化碳等異常氣體時提供監測、報警信號，提醒膠帶機有著火隱患。

聲波雷達類設備：利用雷達監測膠帶機帶面的運行范圍，當膠帶機出現跑偏、縱向撕裂時帶面寬度會發生變化，雷達可監測到并發出報警信號。

照明設備：為了實現影像的清晰傳遞，巷道內需要有足夠的照明，因此在巡視設備上安裝照明設備。

其他設備：為了防止頂板淋水的影響，將所有傳感探頭安裝在巡視設備底部，在巡視設備的頂端安裝防淋水護罩。安裝滑輪，與滑道密切配合，作為行走機構。

2 電力供應與通信保障

2.1 電力供應

目前主要膠帶機運輸巷道內已基本實現了全部的巷道照明，采用照明綜合信號保護開關輸出的交流127 V電力作為供應，約30～50 m在巷道頂板上安裝有一盞礦用防爆型照明燈，照明燈之間使用礦用橡套絕緣電纜連接；而膠帶機沿線每500 m范圍內會有一個集中配電點，可在原有的設備基礎上安設交流127 V電源供電設備為巡視設備提供電力，為了保證電力供應的安全可靠，在巡視設備軌道兩端安裝必要的電源適配裝置，目前市場上具有成熟技術的防爆認證和煤礦安全標示的該類產品較為豐富，可將其通過變壓、整流后，輸出直流12 V、18 V、24 V、36 V等多種電壓等級的電源，使用礦用橡套電纜作為供電線路，50～100 m的供電距離，可將電壓維持在可靠的壓降范圍內，既符合煤礦安全規程，又可以保證供電安全。

兩端的牽引電機另外使用低于36 V的直流電源線路供電，與巡視設備不發生干涉，以保證供電系統的可靠。如圖2所示。

圖2 設備組成及供電原理Fig.2 Equipment composition and power supply principle

2.2 通信保障

目前井下已經基本實現了無線通信網絡系統的全覆蓋，井下使用WiFi、4G通信技術，在皮帶運輸巷和輔助運輸巷每50 m都安裝有網絡通信基站，巷道內的無線網絡和4G網絡信號良好，傳輸速度快，因此在巡視設備中可安裝無線網絡接收裝置，作為網絡的終端設備，將采集到的信息通過網絡信號基站進行傳輸，無需增加設備即可獲得可靠、充沛的通信保障。

3 使用與維護

膠帶機自動巡視系統由多套巡視設備共同組成，每臺設備按順序進行編號，安裝和使用可以在既簡單又便捷的方式下進行，均勻安裝分布在膠帶機的沿線，可以從張緊部一直安裝至皮帶機尾，基本實現對整條膠帶機的監測、報警，同時可根據需要設置停機信號，與膠帶機的控制系統進行連接，在膠帶機出現故障時，發出信號使膠帶機停機。設備操作人員和巡視人員可以在查看影像和傳感器數據后，判斷出發生故障的位置，便于人員進一步準確、快速前往故障點進行相應處理。

在井下使用時需要兼顧煤塵、淋水等對設備的影響，由于有攝像設備和其他傳感設備的數據進行統計，單臺巡視設備如若出現故障，只需要檢修人員到對應的設備位置檢修即可，大大提高對巡視設備故障判斷的準確率和檢修效率。

由于巡視設備整體吊掛在頂板上，除需要進行簡單的潤滑和電氣設備的檢查、維護、保養外，相對于在底板上行走運行的巡視設備維護、保養量較小，也不會受到底板煤泥、皮帶上掉落煤塊的影響。

4 經濟效益分析

該套設備組成的膠帶機巡視系統在運輸巷對膠帶機的巡視效率高、巡視周期短，能及時傳遞膠帶機的故障，預測預報準確，在已有成熟的設備基礎上進行改進、研發、制造，需要購買的產品種類多，可選擇性高，需要自主加工制作的相對較少，具備低成本的特點。

使用后，及時發現和預警膠帶機存在的設備故障，帶面成本高，安裝費用高，膠帶機的運行速度多在4～5 m/s，發生跑偏、撕帶時，帶面極易發生長距離的損壞，造成嚴重的經濟損失，加之膠帶機發生故障后，往往影響綜采工作面和連采工作面的回采和掘進生產，造成的產量和進尺影響均會對礦井的安全生產造成巨大的經濟損失。

該巡視設備可以極大地避免膠帶機故障的擴大，降低對正常生產的影響，又避免膠帶機的損失，可以產生巨大的經濟效益。而且此設備的使用可以為煤礦的自動化技術應用研究提供更多思路，具有很寬廣的應用前景。

5 遇到問題與應對方案

按照此方案可以設計制造出符合實際又便于使用的巡視設備，但仍然會出現一些制造、使用、維護方面的問題，需要在設計制造時進行具體的問題分析解決。

軟件的開發與應用。硬件系統由市場上的成熟產品即可實現，但要實現對膠帶機故障的監測、報警、停車等功能，還需要從軟件的開發上研制可靠、穩定的系統。另外，單套設備的數據集成分析，也需要通過軟件系統來實現，在軟件開發上需要進行全新的研究。但目前很多網絡公司和軟件開發商研發該類軟件也具備成熟條件。

數據上傳的不穩定性。由于設備處于實時的運轉中，當網絡信號不穩定時會影響數據的正常傳輸，還會造成一定的網絡延遲，對膠帶機故障的及時處置造成一定的影響。

單臺設備故障可能會影響其他設備的正常工作。為了解決這個問題，盡量采用數據上傳的方式，由總機進行數據分析和處理，當膠帶機出現故障后，發出報警信號，也可由值班人員通過影像等進行觀察判斷，做出及時有效的處理。

6 結論

(1)設備造價低。目前的攝影、攝像器材成熟，設備購置價格較低，這些設備質量好、穩定性高等特點使得在硬件的開發制造上，成本不會太高，巡視設備的單臺造價預計在2萬元以內，單套成套設備的造價預計在3萬元以內，每1 000 m膠帶機覆蓋的設備造價預計在30萬元左右。而膠帶機發生撕帶事故后，帶面無法重復使用，每1 000 m帶面的損失在200萬元以上，若計算人工成本、生產影響，將遠遠超過巡視設備的造價。

(2)質量小，安裝后，巡視設備的運行將得到充足保障。按照防爆設備的制造質量，單臺巡視設備的尺寸預計為300 mm×300 mm×200 mm，質量小于10 kg，對環境和滑道的影響較小，可實施性較高。

(3)實現膠帶機巡查無死角、全覆蓋，單套設備出現故障后，不會影響到其他設備的正常使用，其他巡視設備仍保持在正常狀態，影響范圍相對較小。

(4)該套方案結合井下各項實際條件，考慮諸多因素后，仍然保持在可行范圍內，符合實際需求、具有實際效益，為膠帶機巡視設備的設計研究提供了一種思路。