礦井帶式輸送機故障及其智能控制策略分析

臧旭輝

（山西焦煤霍州煤電集團河津杜家溝煤業有限公司，山西 河津 043300）

引言

某煤礦第15 號煤層處在太原組最底部，同時也在K2 灰巖下面，煤層厚度在1.64～7.20 m 之間，平均厚度大約在3.86 m。作為全煤巷道，運輸大巷是以15 號煤層為基礎而掘進創建的，因為使用周期長、煤層裂紋大，所以很容易引起巷道底板發生變形。同時煤層巷道所使用的帶式運輸機也是以巷道底板為基礎進行布置的。伴隨煤礦開采量的不斷擴大，煤礦運輸系統的工作強度也在不斷加大。帶式運輸機在粉塵濃度、空氣濕度以及巷道變形等多種因素共同影響下，很容易出現撒料、跑偏以及停機維修等故障，使得煤礦開采效率大幅降低。因此，要對帶式運輸機的故障原因以及類型進行深入分析，同時還要通過智能化手段提出有效解決方案，從而保證煤礦掘采效率的提高。

1 主要故障類型分析

1.1 帶式輸送機結構及原理

如圖1 所示，作為15 號煤層大巷主要運輸設備帶式運輸機由驅動運行裝置、尾架拉緊裝置、改向滾筒組、緩沖托輥組、傳送運輸帶、煤礦清掃器、操作保護裝置七部分共同組成[1]。

圖1 帶式運輸機機構示意圖

驅動運行裝置為帶式運輸機提供動力，滾筒傳遞動力，皮帶在摩擦力驅動下圍繞托輥、滾輪旋轉，經過拉緊裝置作用皮帶張緊，因為緩沖托輥的支撐使得皮帶保持在U 形狀態。在皮帶作用下煤炭隨其向前運動到達運輸終點。帶式運輸機承載力主要來源于機架，而帶式運輸機機架優勢沿著大巷底板進行鋪設，但是運輸機的平行運轉卻不受大巷底板變形影響。

1.2 故障類型

該礦經過6 個月監測統計發現，帶式運輸機運行故障主要有撒料、皮帶跑偏等6 種，其故障占比如圖2 所示。其中，63.5%的故障率都是源自撒料以及皮帶跑偏，對煤炭運輸效率產生重大影響。

圖2 帶式輸送機故障率發生對比圖

1）故障率排在第一的是皮帶跑偏，所占比例37%。運輸機正常工作狀態下，因為托輥的支撐作用皮帶呈現U 形帶動貨物運行，通常情況就是皮帶以非U 形狀態遠離托輥支撐運行而導致故障，從而引起皮帶磨損、撒料等問題，甚至情況嚴重者出現安全事故。

2）故障率排在第二的是撒料，所占比例28.3%。造成運輸機撒料的主要原因有皮帶跑偏遠離支撐而使物料撒落，以及大巷底板自身變形較大導致運輸機皮帶松緊形成懸空從而造成撒料。

3）故障率排在第三的是異常噪音，所占比例21.2%。因為帶式運輸長期處于粉塵環境中，所以很容易導致運轉軸承損壞。且部件數量眾多，所以很容易有異常噪音產生。雖然這類故障不會對運輸效率產生較大影響，但是這類問題出現時往往也就意味著運輸機需要維護保養了。

4）故障率排在第四的是皮帶打滑，所占比例6.9%。因為滾筒與皮帶之間摩擦方式發生變化從而導致皮帶打滑。其主要原因分為如下兩種：第一種是皮帶張緊裝置提供的張緊力太??；第二種是皮帶與滾筒之間進入濕潤物料[2-3]。

5）故障率排在第五的是皮帶斷裂，所占比例3.9%。這種故障雖然發生概率很小，但是造成危害卻極大，一旦發生整個運輸系統必須停止運轉，其主要發生在皮帶和滾筒接口處。造成這種情況的主要原因就是轉載破損以及皮帶老化等。

6）故障率排在第六的是減速機斷軸，所占比例2.7%。其主要發生位子在減速機高速軸位上，產生這種情況的主要原因就是部件設計強度不足，在加上高強度疲勞損壞，很容易引起轉軸斷裂。

2 故障預防控制研究

2.1 解決方案

按照故障類型進行傳感器引入，通過傳感器對故障數據進行監測。所圖3 所示，智能控制系統自行對數據進行判斷，根據判斷結果發送指令，從而確保智能控制的有效實現。

圖3 帶式輸送機智能控制系統架構

1）皮帶跑偏。以左右交替方式，每50 m 間距在皮帶兩側布置1 個距離傳感器，借助極限值設置法來解決皮帶跑偏問題，當皮帶跑偏距離相對較小時可以發送提醒警告以便人工查驗，當皮帶跑偏距離相對較大時可以直接使運輸系統停止運行。

2）撒料。皮帶下面每間隔5 m 安裝一個稱重傳感器，把第一個傳感器數據作為初始值，然后和其他傳感器獲取的數據進行對比分析，如果數據差異相對較大，那么控制主機就會發送警報，從而提醒工作人員對運輸機進行檢修維護。

3）皮帶打滑。皮帶轉動主要是滾筒靜摩擦力帶動的，如果皮帶出現打滑那么很容易造成靜摩擦牽引力減小。所以需要在滾筒和皮帶交接處安裝速度傳感器，以此獲取皮帶運行數據，從而判斷皮帶打滑情況。

4）因為減速機斷軸、皮帶撕裂這兩種情況發生概率很小，并且運輸機設備自身能夠對運行狀態進行判斷，所以不需要在增加其他智能判斷模塊。

2.2 智能控制系統設計

智能控制系統主要由集中控制系統和傳感器檢測系統組成。集中控制系統作為智能控制系統的重要組成部分，其主要作就是數據分析、指令發送；傳感器檢測系統主要作用就是接受采集傳感器監測數據。

智能控制系統設計過程中必須要確保監測數據的可靠性和及時性，首先系統配件自身的可靠性和穩定性要有保證，只有如此才能保證整個控制系統具有良好的性能。15 號煤層運輸大巷工作環境狀況極為惡劣，所以優先選用高性能57-1214PLC型西門子主控制器。此系統硬件設計模塊主要有PLC 控制系統、功率監測系統、傳感器系統、變頻器系統組成[4]。智能控制系統各個模塊流程圖如圖4 所示。作為智能控制系統的重要組成部分PLC 控制系統主要作用就是接受控制命令以及控制命令輸出，從而保證對電動機的有效控制；傳感器系統主要作用就是對運輸機運行速率、運輸量進行監測，并將監測數據及時反饋給PLC 控制器；功率監測系統主要作用就是對變頻器以及電動機運行功率數據進行采集，并將采集數據及時反饋給PLC 控制器；傳感器系統只要作用就是對帶式運輸機運行故障狀態進行監測，并將監測數據及時反饋給PLC 控制器。所有監測數據經過PLC 控制器初步處理后反饋給上位機系統，煤礦開采人員可通過上位機系統對運輸機進行實時監控。

圖4 帶式輸送機智能控制系統組成

3 結語

通過分析監測數據，對帶式運輸機的故障類型、特點以及故障解決方法都有一個全面了解。通過引入智能控制系統，不僅讓帶式運輸機故障智能預警得到有效實現，而且還讓運輸機故障率得到大幅降低。與此同時，還要加大生產監管力度以及強化工作人員技能操作，盡而確保煤礦運輸設備故障發生率的有效降低。