煤炭港口帶式輸送機防撕裂技術分析

任 玄

神華黃驊港務公司 滄州 061113

0 引言

輸煤帶式帶式輸送機是港口的主要設備之一，據2020 年10 月份統計數據：某港口地面帶式輸送機共116 條，總長度約146 720.3 m，單機帶式輸送機共41 條，總長度約4 541 m。承擔著煤炭轉運的重要任務，包括從翻車機卸車到煤炭堆場，再由煤炭堆場轉運的裝船機進行裝船，因流程的每條輸送帶是串聯運行，只要流程中的任何一條帶式輸送機出現故障，都會造成整個流程的停機，制約著生產。導致流程停機的故障包括：輸送帶跑偏、輸送帶打滑、輸送帶重載、漏斗溜槽堵塞以及輸送帶撕裂，而撕裂故障是最常見且最嚴重的故障之一，占所有故障總數的40%～50%，造成停機且損傷帶式輸送機面，需要停機維修。

帶式輸送機的可靠運行直接關系到整個港口的經濟效益，在輸煤系統設備中，輸送帶自身安全是一個薄弱環節，輸送帶成本約占整個設備45%以上，輸送帶受損程度最小是整個煤炭港口正常運行的重中之重。為降低輸送帶撕裂造成的損失，在BF 輸送帶的頭部滾筒上方安裝電磁式除鐵器，用以吸出夾雜在物料中的鐵類雜質。在實際應用中，某些特殊情況下如出現較大煤頭，很難完全除去煤炭中的雜質，這些雜質往往會卡在特定的部位（嚴重時卡在溜槽落料點附近），輕則造成輸送帶撕邊、鋼絲繩斷裂，重則造成輸送帶橫向斷裂，甚至長距離縱向撕裂[1,2]。為此，需根據撕裂原因采取相應保護，以最大限度地減少損失。

在輸送帶安裝撕裂檢測裝置以最大限度地減少損失，據統計，某港口目前在用帶式輸送機撕裂檢測開關有2 000 處左右，包括多合一式撕裂檢測開關、松島撕裂開關開關、桿式撕裂開關、拉繩式撕裂檢測開關、稱重式撕裂開關等多種形式。安裝位置分布在帶式輸送機尾部、導料槽出口、煤檢、帶式輸送機頭部等處，由于情況復雜，沒有哪一種檢測裝置可以全部有效地對輸送帶進行保護，也無法完成對帶式輸送機撕裂故障的實時檢測，有一定的滯后性和誤動作現象。

1 輸送帶撕裂的原因和形式

無論是散料港口還是電廠等行業，在帶式輸送機運轉過程中多需要不同流程轉接切換，大部分都是采用漏斗溜槽形式。相繼的2 條輸送帶交接處有一垂直落差，后繼帶式輸送機的起始端承受著前續帶式輸送機終端下落煤流的強大沖擊重力，如煤炭中混入的鐵器、石塊、木塊等雜物時，對輸送帶的沖擊破壞會更嚴重。一旦發生撕裂事故，將會造成較大經濟損失，有時甚至迫使整個流程停產。為深入研究不同撕裂檢測裝置的工作機理，需對輸送帶產生撕裂的形式和原因進行分析，以明確其工作原理和優缺點。

1.1 帶式輸送機的轉接形式

港口分布著大量的長輸送帶線，主要用于煤炭的卸車和裝船，其中每條帶式輸送機主要包含驅動站系統（動力裝置）、驅動滾筒、改向滾筒、輸送托輥、輸送帶、緩沖托輥、導料槽等。保護裝置包括打滑開關、跑偏開關、拉繩開關、撕裂檢測開關及環保和報警設施等，2 條輸送帶中間的轉接處一般建設轉接機房，機房內部設轉接漏斗（見圖1），起著不同流程對接的功能，主要包括頭罩、漏斗、給料匙等，為保證初步除去雜質金屬的需要，所有對應BF 線的漏斗上方都設有超導除鐵器。漏斗內部是帶有耐磨襯板的溜槽，同時為保證落料點的對中性，還需通過改變調料擋板位置來實現向下游不同帶式輸送機的物料轉運。從漏斗的整體結構可以看出，其在垂直距離上需滿足上下級輸送帶的高度差在10 m 左右，一旦有金屬雜質通過漏斗落下，在高帶速和重力的作用下極易造成下級輸送帶的劃傷，也是撕裂最常見、最難控制和及時檢測的一環。

圖1 帶式輸送機轉接漏斗結構示意圖

1.2 造成輸送帶撕裂的原因分析

實際生產中產生輸送帶撕裂的因素較多，其核心原因是煤炭中交雜的大量雜質，如大煤塊、槽鋼、撬棍、襯板、長鐵釘及條狀異物等，當除鐵器無法吸出的異物輸送到下級輸送帶時，便會有損傷皮帶的風險。

1.2.1 輸送帶跑偏撕裂

輸送帶運行過程中，由于滾筒竄軸、落料點不正、托輥分布不平衡等原因，造成輸送帶在高速運行中向單側產生跑偏，如不及時糾偏，會在跑偏側形成折疊或堆積，造成不均衡拉力、托輥架鋼結構刮傷、輸送帶撕裂等。達到撕裂程度需要一定過程，在各條輸送帶兩側都布置兩級跑偏檢測開關，輕跑偏報警時及時調整，重跑偏時連鎖停機進行檢修，即能杜絕類似撕裂現象。

1.2.2 鋼繩芯輸送帶抽芯撕裂

根據某港口生產的不同用途，翻堆線、取裝線所用輸送帶類型主要為鋼絲繩芯輸送帶，輸送帶長度較長，最大可達到2 800 m，平均長度在1 260 m 左右，轉接過程中受煤炭沖擊較大，撕裂風險高，維修時間長，對生產影響較大。而單機設備如取料機、裝船機、堆料機的懸臂帶式輸送機主要采用聚酯輸送帶，煤炭沖擊力較小，輸送帶長度為90 ～120 m，撕裂風險較小，更換用時短。故本文重點分析鋼繩芯輸送帶撕裂的情形。

鋼繩芯輸送帶在劇烈沖擊力和張力作用下，易造成輸送帶中的鋼絲繩斷裂，經過長期磨、折、拉等力的作用，斷裂的鋼絲繩頭從輸送帶接頭處、粘結層處或磨損嚴重處伸出膠皮層。當露出的鋼絲繩達到一定長度，就可能絞入滾筒、托輥等處，隨輸送帶的運轉，鋼絲繩從皮帶蓋膠中抽出，造成撕傷。防止這種撕裂一般是加強巡視力度，及時發現并處理輸送帶漏洞和外露鋼絲繩頭。

1.2.3 異物卡壓撕裂

從漏斗入口進入的物料通過溜槽進入導料槽，此種撕裂常發生在漏斗溜槽的物料出口及漏斗和導料槽結合部位。由于伸入導料槽口部分為豎直形狀設計，當槽鋼、撬棍及條狀異物等進入溜槽后，其在重力作用下垂直向下插入下方輸送帶。輸送帶下方均為密集分布的緩沖托輥，當異物劃傷輸送帶卡到托輥之間時，將會對輸送帶造成嚴重的劃傷。由于漏斗前下沿和輸送帶面之間距離較小，且出口大小有限，當通過漏斗出口的異物縱向尺寸大于其通過能力時，異物就會卡在溜槽下部，通過輸送帶的向前運動增壓，從而劃傷輸送帶。

2 傳統輸送帶撕裂檢測技術分析

為了及時發現撕裂，在每條輸送帶線上布置了多組不同檢測原理的撕裂檢測裝置，包括漏煤稱重檢測式、鋼絲攔索式、尼龍輥型回程落煤式、尾部滾筒橫桿式防撕裂檢測裝置，或多種方式的綜合體。但每種方式都有其不足，如易產生誤報警、數量多、檢測滯后等。

2.1 漏煤稱重式撕裂檢測技術

此種裝置主要由斜板、接煤斗、翻板、接近開關和固定支架、配重單元等組成，安裝在漏斗落料點或導料槽出口輸煤輸送帶的正下方，當輸送帶發生穿透式撕裂且出現較長裂縫時，會有煤炭落下，匯聚到裝置的接煤斗。當接煤斗里的煤質量大于擋板配重時，翻板會產生翻轉動作，觸發接近開關動作，信號傳入中控PLC 給出報警并連鎖帶式輸送機急停。此檢測方式難以合理調整裝置配重，配重過重、撕裂較小灑落煤較少時，翻板不易動作，導致撕裂檢測不靈敏；如果配重較輕，當接煤漏斗里產生積煤或煤塊濺落、帶式輸送機啟動時產生振動等原因，該裝置會產生誤動作停機，影響生產效率。

2.2 尼龍輥型回程落煤撕裂檢測技術

為降低漏煤稱重式裝置的誤報警問題，研究了一種尼龍輥型回程落煤檢測裝置，把多組該裝置均勻安裝在回程輸送帶上方(尼龍輥距回程輸送帶有4 ～5 cm 距離)。當撕裂后落煤流量較小時，因尼龍輥與輸送帶間距較小，落煤將與尼龍輥產生摩擦，不斷帶動尼龍輥旋轉，觸發接近開關產生脈沖，在通過PLC 判斷落煤情況，從而實現報警停機信號。相對于常見的漏煤稱重式檢測裝置，尼龍輥型落煤檢測裝置避免了因煤塵積累、正常作業時偶爾濺落的煤塊以及輸送機啟動時機械振動產生的誤動作，但卻無法避免硫化補修后輸送帶薄厚不均、輸送帶沾煤以及回程輸送帶上下抖動帶來的干擾問題。

2.3 尾部滾筒橫桿式防撕裂技術

尾滾筒橫桿式檢測裝置主要由剛性橫桿和可調支撐座、接近開關等組成，如圖2 所示。剛性橫桿與滾筒徑向平行放置，兩端支撐裝置為碰撞掉落式，橫桿距離輸送帶約2 cm。當回程輸送帶面上有較大雜物或因輸送帶撕裂而產生積煤時，尾部滾筒直徑會瞬間增大，從而碰落橫桿，安裝在橫桿端部的檢測開關檢測到橫桿跌落，發出停機信號，避免出現更大范圍的輸送帶損傷。此外，當輸送帶發生抽條、撕邊時，轉至尾滾筒處，通常撕裂位置的橡膠會向外伸出，形成毛刺狀突出，撞擊到橫桿，亦可使其發生脫落，產生報警。由于此類撕裂檢測裝置多位于輸送帶尾部，檢測報警有很大的滯后性。當開關檢測到輸送帶撕裂時，輸送帶已經出現大面積劃傷，無法起到降低損失的作用，僅起到事故報警的作用。

圖2 尾滾筒橫桿式檢測裝置示意圖

3 一種新型輸送帶撕裂檢測技術

以上幾種方式都很難杜絕誤檢測、檢測滯后的問題，當輸送帶撕裂后出現帶面重疊現象時，不會有撒落煤，則以上檢測手段均存在局限性。隨著人工智能以及視頻分析技術的應用推廣，文中在智能視頻的基礎上研究了一種基于機器視覺輸送帶撕裂檢測技術。

3.1 裝置組成和安裝方式

基于機器視覺技術設計的輸送帶撕裂檢測裝置如圖3 所示，主要包含數據采集和數據處理2 個部分，其中數據采集包括圖像采集設備和結構光線性激光設備。數據處理由上位機服務器完成，處理的信號一部分作為系統的歷史數據進行保存，生成輸送帶全生命周期狀態數據，另一部分轉換成報警信號發送給中控PLC控制器進行報警。為了能在第一時間檢測到卡壓撕裂、穿透撕裂以及撕裂后重疊現象，該設備選擇安裝在轉接漏斗的出料口附近。其中，光源設備和信號采集設備分別安裝在一組對稱托輥的根部，實現信號的發出和接收。

圖3 撕裂檢測裝置示意圖

3.2 實驗效果

裝置中的光源設備為結構光線性激光設備，其將一字形線性激光條紋投射到輸送帶表面上，激光條紋受到輸送帶表面的深度變化發生調制，反映到圖像中則是激光條紋發生了畸變。輸送帶完好無撕裂情況下，檢測圖像中輸送帶底面激光條紋平滑、無局部跳躍、無斷點、激光線條長度穩定；當輸送帶發生撕裂事故時，線激光條紋會受到撕裂位置的調制而出現跳躍、斷點、激光線條缺失等現象，如圖4 所示。通過對檢測圖像中激光線條特征的提取和分析，實現對輸送帶撕裂事故的檢測。

圖4 兩種常見輸送帶撕裂檢測效果

4 結語

針對煤炭港口帶式輸送機系統的特點，分析了幾種常見輸送帶撕裂產生的原因和表現形式，重點探討了傳統輸送帶撕裂檢測技術的基本原理和優缺點，傳統的防撕裂技術主要針對輸送帶撕裂后產生的后果進行檢測分析，存在檢測靈敏度難以把控和時間滯后的弊端。為此，提出了一種基于基于機器視覺的檢測手段，具有實時性好、便于人員數據分析、檢測靈敏、信息化程度高等優點，具有較好的推廣價值。