礦用帶式輸送機托輥故障檢測方法研究

尚 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團馬道頭煤業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037100）

引言

帶式輸送機是煤礦開采過程中物料輸送和轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵設(shè)備，在井下煤礦的運輸系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用[1]。近年來，隨著煤礦開采深度的逐漸增加，煤礦開采量達到了幾千萬噸，帶式輸送機在煤礦中的布置長度達到了幾十千米甚至幾百千米，所用的托輥數(shù)量達到幾千萬個。目前在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，帶式輸送機故障成為當前最常見的煤礦安全事故的主要誘發(fā)因素，檢測帶式輸送機托輥故障對于避免輸送帶局部高溫[2]、煤礦安全事故等具有重要的研究意義。

在帶式輸送機實際運行過程中，托輥的受力比較復(fù)雜，不僅受到上方膠帶和物料施加的斜側(cè)力，同時受到托輥軸線的約束力和托輥面上的摩擦力，且?guī)捷斔蜋C附近受到粉塵、潮濕等環(huán)境的影響，托輥是最容易發(fā)生故障的關(guān)鍵零部件，比如常見的托輥故障有軸承損壞、托輥卡死以及中心軸變形等，托輥卡死主要是由于粉塵、空氣中的水蒸氣等進入到軸承內(nèi)部，導(dǎo)致托輥無法正常運轉(zhuǎn)，發(fā)生故障的托輥和皮帶之間持續(xù)進行摩擦，導(dǎo)致托輥表面的溫度會升高，加上煤粉本身屬于易燃物，有可能引燃輸送帶或煤粉，造成帶式輸送機起火事故[3]。目前現(xiàn)有的帶式輸送機托輥的檢測主要有人工巡檢和定期測量托輥溫度，存在巡檢不到位、工作量大、測量誤差等多種弊端，甚至作業(yè)場地比較危險，容易造成瓦斯中毒等情況，有時由于某些操作工人的不當操作甚至有可能檢測到錯誤的結(jié)果。

為此，本文通過對帶式輸送機托輥常見故障類型和原因進行系統(tǒng)分析，并對托輥現(xiàn)有的故障檢測方法進行了研究，提出了檢測裝置內(nèi)嵌入皮帶的托輥故障檢測方案，并利用在線檢測技術(shù)實現(xiàn)托輥在運動過程中的檢測，可以達到較好的檢測效果和穩(wěn)定性。

1 帶式輸送機托輥常見故障類型及原因

托輥位于帶式輸送機的側(cè)下方，主要起到承載的作用，用于承受膠帶的重量和膠帶上方煤炭的重量，如圖1 所示為帶式輸送機系統(tǒng)組成圖。

從圖1 中可知，帶式輸送機膠帶一端是由頭輪和另一端的尾輪進行驅(qū)動，在頭輪和尾輪之間使用托輥進行支撐皮帶，避免皮帶產(chǎn)生較大的懸垂度，同時有利于減緩皮帶的拉伸，保證輸送帶可以正常平穩(wěn)可靠運行。

圖1 帶式輸送機物料輸送系統(tǒng)組成圖

帶式輸送機托輥主要由軸蓋、彈性擋圈、密封圈、軸承、隔離環(huán)、軸承座、中心軸等部分組成，托輥受到重載膠帶和膠帶上物料的雙重作用，會導(dǎo)致托輥的中心軸和外部彈性擋圈承受較重的載荷，在長時間運行過程中非常容易發(fā)生疲勞損壞。此外，托輥處于皮帶下方，受到粉塵、煤粉以及水分等雜質(zhì)的影響，有可能導(dǎo)致托輥運轉(zhuǎn)異常，引發(fā)軸承失效。針對帶式輸送機托輥常見故障類型，對總體方案進行了設(shè)計和分析。

2 托輥故障監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

傳統(tǒng)的人工檢測故障在某些狹小空間內(nèi)存在檢測困難的問題，本次設(shè)計了故障檢測模塊直接安裝在帶式輸送機膠帶上，完成對底部和側(cè)方托輥的檢測。如下頁圖2 所示為托輥故障檢測方案。

圖2 托輥故障檢測模塊在帶式輸送機中的方案布置圖

帶式輸送機托輥檢測模塊主要布置在輸送帶內(nèi)部，在下方托輥位置處和側(cè)方托輥位置處輸送帶內(nèi)部布置有檢測模塊，通過在運動過程中近距離檢測模塊采集托輥的故障信號，并利用無線通信模塊發(fā)送檢測數(shù)據(jù)到上位機端分析故障類型，最后定位托輥的位置并及時進行報警。在一組托輥檢測模塊中具有3 個檢測模塊，分布在帶式輸送機膠帶同一個橫切面上。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

檢測模塊將溫度傳感器和壓力傳感器集成為一個模塊[4-5]，將壓力傳感器和溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到控制器中對物理信號進行處理。其中檢測模塊的硬件系統(tǒng)主要由供能模塊、微處理模塊和無線通信模塊組成。供能模塊是保證檢測模塊正常工作的前提，是基本的供電裝置。

本次設(shè)計采用鋰電池作為檢測模塊的供電裝置，具有使用時間長、可重復(fù)使用、適應(yīng)煤礦環(huán)境以及質(zhì)量輕等優(yōu)點。

在實際巡檢過程中，通過自動調(diào)定不同的用電區(qū)域，當處于相鄰?fù)休佒g時控制芯片處于低功耗模式，在托輥上方時處于檢測狀態(tài)控制芯片開始正常工作。將采集到的信號通過微處理模塊分析處理和暫時保存，并通過微處理模塊將數(shù)據(jù)利用無線通訊模塊發(fā)送到接收裝置。如圖3 所示為檢測模塊結(jié)構(gòu)組成圖。

如圖3 所示，通過壓力傳感器和溫度傳感器采集輸送帶下方托輥的壓力變化信號和溫度變化物理信號，并上傳到控制器中，通過控制器對信號的處理和分析，將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^無線收發(fā)模塊將電信號發(fā)送到上位機中對托輥的故障進行診斷。

圖3 檢測模塊結(jié)構(gòu)組成圖

4 軟件和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)需要與軟件系統(tǒng)配合才能夠完成對托輥故障的檢測。為此，利用介質(zhì)訪問控制算法和跳頻通信技術(shù)，搭建起托輥檢測方法的主要軟件框架。首先，設(shè)計采用競爭性的MACA 層CAMA/CA 協(xié)議，檢測模塊在實際發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過監(jiān)聽信道上是否會有同頻率的載波信號，若檢測到信道空閑，在退避一定時間之后將會計數(shù)器+1，當次數(shù)達到設(shè)定值時將會向接收模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

由于在實際進行運行過程中，檢測模塊容易受到外部信號的干擾，容易造成信號無法準確傳輸，為此設(shè)計了調(diào)頻通信協(xié)議克服外部環(huán)境對信號的干擾，主要是通過改變收取和發(fā)送信號的通信頻率和波段跳過干擾頻段，可以準確收發(fā)信號并完成正常通信。

為了驗證檢測裝置的實用性和可行性，從國內(nèi)某家礦用維修廠家選用一部分皮帶和托輥作為實驗平臺，模擬帶式輸送機的實際運行過程，在帶式輸送機膠帶中嵌入檢測模塊，并利用labview 2019 開發(fā)設(shè)計了友好的人機操作界面，如圖4 所示為上位機監(jiān)控系統(tǒng)界面。

圖4 帶式輸送機托輥故障檢測裝置顯示界面

通過對皮帶下方不同段的托輥位置進行編號，可以有利于準確獲取到托輥的位置信息和故障信息。通過人為模擬現(xiàn)場發(fā)熱狀態(tài)，利用打火機在5 號段和6號段托輥位置處進行加熱，從圖4 中可知在5 號段和6 號段均存在托輥的異常，可以準確識別托輥的故障，取得良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

針對帶式輸送機托輥人工檢測存在勞動強度大、檢測效率不高、環(huán)境惡劣等問題，本文通過對帶式輸送機托輥常見故障類型和故障的外部表現(xiàn)形式進行分析，設(shè)計了一套帶式輸送機托輥故障檢測模塊，可以在托輥表面準確采集壓力變化和溫度變化信息，并通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)顯示托輥故障所在的位置、托輥故障類型和歷史數(shù)據(jù)，有利于為帶式輸送機托輥故障提供檢修方案，有利于避免煤礦輸送帶燃燒起火等安全事故，減少煤礦事故傷亡，對于煤礦安全生產(chǎn)和高效開采具有重要的研究意義和實際價值。