神東石圪臺煤礦膠帶輸送機故障診斷方式研究

李 新

(國能神東煤炭集團有限責任公司石圪臺煤礦，陜西 榆林 719300)

0 引言

帶式輸送機廣泛的應用在工業生產的各個領域，主要負責長距離、大批量的連續性生產。在電力生產、礦物質開采、港口運輸等行業中隨處可見。該設備具有運行距離長、可長時間連續性運行、輸送量大、運行可靠、設備費用低等特點，現在已經成為工業生產中不可缺少的關鍵設備[1-3]。隨著國家對煤炭能源的需求不斷提高，開采技術和勘探技術不斷提升，對于膠帶輸送機的大運量、穩定運行、長距離的要求也越來越高[4-5]。并且隨著礦井的開采面積不斷加大，大多都開始采用逐級順序運送的方式工作，多臺輸送機串聯或者并聯工作。如果中間的輸送機出現故障就會影響其它設備的正常運行，所以針對帶式輸送機系統的實時監控和智能故障診斷以及遠程控制性能要求較高。

因為煤礦井下工作環境比較特殊，膠帶輸送機輸送距離較遠、需要連續長時間運行，并且本身也具有較高的自動化程度，設備結構非常復雜，精確零部件較多，受環境溫度、濕度等影響較高，這就導致設備的故障診斷較為困難，會使得設備在運行的時候容易受到較大的損害[6-12]。本文以石圪臺煤礦為研究對象，使用智能診斷方式對膠帶輸送機進行研究優化，以提高該礦膠帶機使用的安全性。

1 膠帶機基本構成與常見故障

1.1 工作原理

膠帶機是一個比較復雜的設備，由支撐膠帶的機架、起到傳動效果的膠帶、膠帶運轉的托輥、電機設備、自動清掃裝置、拉緊裝置等部分組成。

托輥和機架：托輥用于支撐膠帶輸送機上下段膠帶，目的就是為了減少膠帶運行的阻力，能夠使膠帶在一定的要求內保持良好的垂度，保證膠帶機安全運行；機架則用于安裝和固定托輥，機架的高度、長度可以根據現場的實際情況安裝，主要起到支撐膠帶、托輥和物料的作用。

膠帶：膠帶機中的膠帶也是滾動膠帶機中的重要單元，承擔起物料輸送、牽引的作用，因為采礦是一個比較特殊的工作，其具有大物料量、長距離運輸，長時間的長距離運行的特點。膠帶機正是因為這種工作特點，成為了煤礦工作中的故障高發設備，這就對膠帶機提出了高強度、高韌性的要求。

驅動裝置：驅動裝置由驅動單元和主動滾筒組成，也就是驅動電機，利用這種電機能夠為膠帶提供牽引力，實現膠帶傳輸、運行，將膠帶上部的物料運輸到特定的位置。根據實際工作經驗得出，驅動電機也是膠帶機多發故障點之一。

拉緊裝置：膠帶在運行的時候不像齒輪一樣利用齒輪的咬合力來進行物料的運輸，而是利用膠帶與軸承之間的摩擦力，保障膠帶的正常運行，這種摩擦力就是利用拉緊裝置將膠帶張緊的。

通過上述論述能夠得出，膠帶機工作原理就是利用托輥支撐膠帶機上下段的膠帶，然后由特定的拉緊裝置使膠帶拉緊，防止膠帶因為運輸重物導致的寬松、塌陷、攪帶等問題。

1.2 膠帶機常見故障

由于膠帶機特殊的工作環境和工作特點，發生的故障也有很多種，主要有膠帶的斷帶、打滑、跑偏，主要故障發生在膠帶、電機、軸承等部位。因為載重過高或者非平穩運行導致膠帶的縱向撕裂、堆煤；電機或者膠帶的長時間運行，摩擦力加大，最終導致火災等事故。

膠帶打滑：膠帶上的貨物運輸主要依靠膠帶上的摩擦力來保證膠帶不會因為打滑而無法運行。膠帶機打滑是目前膠帶最常見的故障之一，將會導致物料輸送機在滾動軸承正常運行的條件下無法正常運輸物料。

膠帶跑偏：膠帶在工作的過程中可能會因為給料不正、膠帶老化、設備磨損的原因造成膠帶機跑偏故障。基本的原理因為膠帶機的突然非平穩運動，大物料量的積壓最終導致膠帶中心線偏離膠帶機中心線，此時的滾軸滾動就會進一步的帶動膠帶的偏移，發生跑偏事故。如果情節較輕，無跑偏事故的發生則會引起膠帶和托輥磨損，進一步的長時間運行則會降低設備使用壽命，當膠帶跑偏一定的程度造成跑偏量過大，則會導致膠帶翻邊，發生安全事故。

膠帶縱撕：膠帶縱撕是因為運送的貨物里有鋒利的雜物或者其它物品將膠帶割裂，是膠帶輸送機中較為嚴重的事故。因為膠帶是價格比較昂貴的部件，一旦出現撕裂問題就會導致整條膠帶報廢，還很可能發生嚴重的安全事故，威脅人身安全，造成較大的經濟損失。

膠帶火災事故：膠帶機可能會因為長時間的運行導致設備局部過熱，引起火災的發生，如果有了火源則更可能會引爆井內瓦斯，造成系統性的、嚴重的礦難災害。造成膠帶機火災的因素較多，一般有設備長時間運行，軸承、滾筒等設備局部溫度過高，監控測點失靈無法報警等。

膠帶輸送機屬于大型機械設備，設備元件復雜，控制較為簡單。但是常常會因為膠帶老化、使用環境惡劣等造成經濟損失和設備故障，嚴重的會發生爆炸和火災等問題。所以，不論是什么樣的設備問題，一旦出現都會造成生產問題，應該針對故障提前識別、預知、處理。

2 膠帶機智能故障診斷方式

2.1 研究方法

故障診斷具有內容多、范圍寬的學科特性，它在使用的時候不但要結合現代控制理論、設備生產過程、智能控制理論，還需要結合計算機技術、信息處理技術、信號遠傳技術、分析技術等多種技術控制手段，同時也結合了數理統計學科、數學智能算法理論等。為了更好地對診斷方法進行研究，部分學者還專門設計模擬軟件，建立設備故障診斷模型，形成了新的研究課題和研究體系。雖然存在多種理論的故障診斷方法體系，但是根據不同的設備工作特點和工作方式的不同，需要采用不同的故障診斷方法論。對于設備的故障和研究應該從設備的實際出發，根據設備的運行特點和設備的運行方式，采用不同的診斷方式，以理論結合實際的方式，因物制宜實現設備故障的診斷。

2.2 基于專家系統的故障診斷方法

專家系統實質就是一個類似于人腦思維、工作和推理的過程，將設備的運行狀態填寫在系統中，然后通過知識庫調取相似的問題處理方法，通過推理機利用分析推理，最終獲得比較可靠的推理結果。在設備使用中專家系統智能故障診斷方法應用非常廣泛，也得到了眾多用戶的好評，是目前為止使用最為成功理論方法之一，專家系統組成如圖1所示。

圖1 專家系統組成框圖Fig.1 Block diagram of the expert system

2.3 基于神經網絡的故障診斷方法

神經網絡是由不同的處理節點、處理區域組合而來的，是一種模仿動物神經網絡特征，對故障信息進行分布式處理的算法。該診斷方法具有聯想記憶、自我處理、自我學習的特點，并且還能夠進行自組織，具有較強的適應性和較強的容錯能力等。這種較強的思維能力，可以實現一些信息無法正常表達、數據搜集缺失及比較復雜的信息處理，可以對信息作出合理的推測和判斷，具有較強的實用性。

2.4 基于信息融合和模糊邏輯的故障診斷方法

模糊邏輯是將設備運行時視為一種模糊狀態，進而認為發生故障的設備也是模糊征兆的，主要利用這種模糊信號對設備的模糊狀態進行識別，識別的過程中還會對故障進行推理，然后通過推理出的故障作出決策，最終確定故障原因。

在設備的不同部位安裝不同類型的傳感器，并且實現多種信號使用一個傳感器，實現檢測信息的多元傳感融合技術；實現設備全方位、多角度監測，可以實時了解設備運行狀態，在獲取設備運行狀態信息之后對信息預處理，采用信息融合、診斷等方式對其進行再處理，準確預防設備故障。目前應用較新的信息融合技術多采用快速傅立葉變換、小波變換等方法對獲得的信息進行補充，完善了信息處理能力，同時也彌補了傳統方法信息分析不精確的不足，提高故障診斷可靠性。信息融合技術還與神經網絡方法、模糊邏輯方法、多信息融合技術等多種故障分析方法融合，做到取長補短、自我更新，提高了設備運行的智能化，是未來故障診斷技術的發展趨勢。

3 煤礦膠帶輸送機原故障診斷系統分析

3.1 監測診斷系統

石圪臺煤礦膠帶輸送機軸承監測診斷系統設計方案如圖2所示。

圖2 膠帶輸送機軸承監測診斷系統設計方案Fig.2 Design scheme of belt conveyor bearing monitoring and diagnosis system

各模塊的主要功能如下：

參數設置功能模塊：該模塊主要設置診斷系統的報警值上限和下限參數，當系統運行參數穩定狀態出現的設定值高于或者低于該值的時候，系統就會出現報警，起到警示水平設定的作用。

圖形化總體監測模塊：該模塊主要是將設備的運行狀態視圖化，能夠更好地通過視覺效果來監控軸承溫度和振動的大小，將監測的結果模塊化、集中化顯示，并且能夠集中的體現不同部位、不同監測結果的值以及報警狀態等。

報表查詢模塊：該模塊除了具有一定的查詢作用之外，還能夠起到記錄的作用，能夠有效地記錄輸送機軸承運行狀態，通過表格的形式得到一定時期內軸承振動與溫度，并且通過數理統計獲得設備參數的運行狀態。

報警查詢模塊：可以通過查詢模塊獲得設備運行的報警值和最大檢測值及最優的設備運行信號。

歷史趨勢分析模塊：通過歷史查詢和數理統計，可以獲得一定時期內設備運行的變化趨勢，以及設備在運動過程中的溫度和振動變化情況，得出運行趨勢的分析。

實時顯示模塊：該系統能夠實現設備運行單元的模塊化顯示，可以將軸承、測點的相關參數，如軸承振動的幅度和溫度形象等在設備模型中顯示出來，獲得直觀的設備監控。

診斷報告模塊：通過軟件的處理，可以將設備的運行狀態通過數據處理、整合得出數據的運行參數變化，最終能夠得出設備的運行狀態報告。

在線操作幫助模塊：提供專業知識庫與各功能模塊使用幫助。

3.2 系統總體設計

系統設計需要實現設備運行的狀態監控、信息傳輸與故障診斷等多功能，以保證能夠遠程監測到設備的基本狀況。所以，故障診斷系統應該包括數據采集、數據傳輸、監控服務器、故障診斷等部分。數據采集的主要信息有設備的溫度、壓力、運行過程的振動加速度等，通過傳感器檢測設備軸承的信號。利用礦本安振動監測分析儀對振動信號和溫度進行處理，得出初步的設備信息，然后再經過系統診斷的相關算法進行信號加工處理，處理之后的參數分析結果(溫度、壓力和振動幅度等)信號傳送到環網交換機，之后再利用以太網把信息數據進一步傳送到數據庫服務器。如果設備出現了工作人員無法處理的故障，可以通過Web發布數據設備，在線監測與故障診斷等實現與專家的遠程處理，得到專家的診斷幫助。圖3為整個檢測系統對10個大型設備進行的安全性能檢測，不同的子系統將檢測信號傳輸到交換機中，設計的系統通過數據庫的設備信息參數進行綜合診斷，然后從局部的系統性能到整體性能進行判斷，最終得出整個設備的運行規律和狀態，準確地找出設備運行的故障點等。

圖3 監控系統整體框架Fig.3 The overall framework of the monitoring system

4 結論

設計了石圪臺煤礦在線故障診斷系統，以不同部位傳感器測點為基礎，同時配置不同的儀器；功能上設置在線監控功能、實時查詢功能、信息統計功能等，硬件上以穩定、安全為基礎設計膠帶機的在線監控系統，實現設備故障的在線監控，保證數據遠傳的真實性、穩定性，實現膠帶機溫度、壓力、震蕩等信號的高精度監控。