礦山輸送設備關鍵部件異常檢測裝置設計應用*

張小虎

(山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業有限公司，山西 大同 037000)

0 引 言

帶式輸送機是廣泛應用于礦山開采領域的重要散料輸送機電設備，在礦山開采領域發揮著重要的作用，同時也應用于化工、軍工、碼頭和港口等行業[1]。近年來，帶式輸送機引起的煤礦事故頻頻發生，如2020年9月27日發生在重慶松藻煤礦的重大火災事故，就是帶式輸送機發生故障引起的，此次事故共造成16人死亡，42人受傷，給企業造成了2501萬元的直接經濟損失[2]。事故的直接原因是煤粉積淀導致托輥卡死、磨破，進而造成局部高溫引燃輸送帶，為此帶式輸送機關鍵部件及時檢測對于保證帶式輸送機安全運行具有重要作用[3]。

目前對帶式輸送機關鍵部件的檢測主要是人工完成，需要工人數量多，勞動強度大、檢測成本較高、容易發生危險，而且受作業空間的限制存在檢測不到位的問題，給煤礦的安全運行埋下許多隱患，為此對帶式輸送機關鍵部件常見故障進行分析，提出一套礦山輸送設備循環檢測智能系統方案，重點對帶式輸送機關鍵部件進行異常檢測，代替人工完成礦山輸送設備的檢測任務，達到識別精度更高，節省人力成本，降低工人檢測風險，提高煤礦安全管理水平的目標。

1 礦山帶式輸送機關鍵部件異常分析

1.1 帶式輸送機結構組成

帶式輸送機主要由托輥、輸送皮帶、支撐結構、驅動電機、制動器等部分組成[4]。圖1所示為帶式輸送機結構組成圖。

圖1 礦山帶式輸送機結構示意圖

帶式輸送機整體主要由機頭部、機身部和機尾部組成，機頭部主要由驅動電機、驅動滾筒、減速器等部分組成，機身部主要由輸送帶本體、托輥部件等部分組成，機尾部分主要由導向滾筒、張緊輪等部分組成。

隨著煤礦開采深度的不斷增加，帶式輸送機的運行逐漸向長距離、大運量發展，受到井下復雜環境的影響，伴隨著粉塵、腐蝕性氣體，潮濕，瓦斯、一氧化碳和硫化氫等有毒有害氣體，帶式輸送機關鍵部件容易損壞，比如常見的帶式輸送機托輥卡死、減速器高溫、輸送帶斷裂、輸送帶縱撕等故障，這些都將影響物料的輸送，引發礦山機電設備事故。

1.2 帶式輸送機常見異常分析

帶式輸送機受井下惡劣環境的影響，在實際使用過程中會出現各種機電設備運行異常情況。根據異常發生的位置不同大致可以對帶式輸送機的異常運行分為三大類，即機頭部位、機身部位和機尾部位異常[5]。

(1) 機頭部異常分析 機頭部位電動機受粉塵的影響導致內部電阻增大引起的局部高溫；減速器潤滑不良引起的局部高溫；驅動滾筒發生的筒體開裂，中軸損壞，軸承座的損壞破裂等異常情況。

(2) 機身部異常分析 機身部是以輸送帶和托輥做為主要構件[6]。輸送帶的損壞也是常見的一種帶式輸送機異常情況，包括有輸送帶的斷裂、輸送帶的縱撕、輸送帶的跑偏、輸送帶大塊矸石卡死、輸送帶局部磨損嚴重等異常情況[7]；托輥常發生的異常情況包括托輥卡死、托輥軸線彎曲變形、托輥磨穿形成破口、托輥局部高溫、托輥筒殼的損壞等異常[8-9]。

(3) 機尾部異常分析 機尾部的異常主要是以結構的運行異常為主，包括滾筒的開裂、卸料故障、支撐座與基礎的連接破壞、筒體包膠磨損嚴重等，這些異常都會引起帶式輸送機在卸料端對輸送帶的磨損加劇，出現局部高溫。

通過以上帶式輸送機常見運行異常的總結發現，帶式輸送機關鍵零部件的異常故障往往會表現出不同的物理性質，比如發熱、放光、聲音異常等，所以對帶式輸送機運行異常進行檢測的關鍵是準確把握發出的物理信號，對物理信號進行采集，隨后轉變為電信號進行處理和分析。

2 帶式輸送機循環檢測方案設計

目前國內對帶式輸送機的檢測一方面是采用人工進行檢測，也就是通過工人手持檢測裝置沿帶式輸送機進行逐點檢測，存在勞動強度大、效率低、成本高、結果不準確等問題；另一方面，隨著監控技術的發展，出現了定點監控措施，在帶式輸送機周圍布置多個監控點，每一個點可以負責監控一個區域，可以在上位機中以九宮格形式顯示，從而達到對帶式輸送機關鍵部件進行異常監控，但是受井下惡劣環境的影響，定點檢測設備需要頻繁更換，需要做到防塵、防爆、防潮等措施，布置數量比較多，成本比較大。

為此，文中結合國內中信重工提出的循環檢測思路分析，提出了一種智能循環檢測系統,目的是實現對長距離帶式輸送機的全方位檢測，避免重復布置檢測點，降低企業的檢測成本，圖2所示為智能檢測系統技術方案。

圖2 智能循環檢測系統技術方案

圖2中，智能循環檢測系統主要由支撐軌道、智能巡檢模塊本體、無線通訊系統和上位機監控系統組成，最核心的是智能循環檢測模塊。軌道系統對智能檢測裝置起到導向和支撐的作用，智能檢測模塊搭載多種傳感器模塊、遠紅外攝像頭模塊、拾音器等檢測裝置。在帶式輸送機上方架設軌道，智能巡檢模塊本體位于軌道上，智能巡檢模塊在軌道上運行，在運行的過程中由自身搭載的傳感器檢測裝置和攝像頭對帶式輸送機關鍵部件進行智能檢測，在整個運行過程中，可以實現直線移動、上坡運行、下坡運行和轉彎。智能檢測模塊是由硬件部分和軟件系統組成，硬件系統包括各種傳感檢測裝置，軟件系統可實現智能檢測模塊與上位機之間的通訊和對檢測數據的發送等。通過采集帶式輸送機的結構參數信息，完成帶式輸送機關鍵部件的檢測和診斷分析，相比于傳統的人工檢測和定點檢測而言，采用循環移動式檢測可以達到比較好的檢測效果，檢測成本比較低，檢測效果更好，采用WiFi通訊模塊，實現遠距離無線循環檢測。

3 硬件系統與軟件系統設計

3.1 硬件系統設計

智能循環檢測模塊硬件部分主要包括各種類型的傳感器、數據分析預處理模塊、大容量鋰電池電源模塊、控制模塊、電壓穩壓模塊等，其中的傳感器包括有煙霧傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器等多種環境參數采集傳感裝置。圖3所示為智能循環檢測模塊的硬件組成，模塊之間的線段表示模塊之間的接線。

圖3 智能檢測模塊硬件組成與接線

從圖3中可知，整個檢測裝置主要有三大區域組成，探測腔，主控腔和電池腔。其中探測腔主要是完成對參數信息的采集，具體由各種傳感器檢測裝置、數據處理器、無線終端和交換機等部分組成；主控腔是由電源穩壓單元、控制單元和舵機等部分組成，主要是用于控制巡檢模塊的移動和調速；電池腔是以大容量可充電電池作為核心組件，用于對整個巡檢模塊進行供電，提供電力。智能檢測模塊安裝的傳感器主要有如下幾類。

(1) 溫濕度傳感器。用于檢測煤礦井下環境參數以及帶式輸送機載運行過程中的溫度變化，采用溫度傳感器進行智能化檢測。選用中煤科工集團重慶研究院設計的GWSD50/100溫濕度本安型傳感器。

(2) 煙霧傳感器。用于檢測煤礦巷道中的煙霧濃度，選用中煤集團的GQQ5礦用本安型煙霧傳感器。

(3) 360°高清攝像頭。用于對煤礦井下帶式輸送機進行視覺檢測，選用國內可靠性較高的海康威視攝像頭，并且搭載紅外線測溫模塊，實現對高溫區域的紅外線定位。動力電池模塊選用1 200 mA大容量可充電鋰電池。

3.2 軟件系統設計

除了硬件系統外，整個檢測裝置可以識別帶式輸送機的常見故障特征，對表現出來的故障特征進行提取并進行分析和處理，所設計的控制算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

圖4(a)所示為整體的控制流程圖，首先進行系統的上電初始化，對各個傳感器裝置、驅動電機和控制器等進行通電，然后巡檢單元啟動，可以采用人工手動操作也可以選擇自動控制模式對巡檢模塊進行自動控制運行，當異常發生時將會啟動異常檢測算法并進行異常分析，判斷到達機尾時自動改變方向，對另一側進行檢測。圖4(b)是故障檢測算法流程圖，對帶式輸送機關鍵部件表面的溫度信號、聲音信號、有毒有害氣體的濃度等進行分析，判斷是否超過設定的標準值，與位置信息形成關聯，從而觸發報警系統進行報警，并對異常位置點進行定位。

4 現場應用與調試

為了驗證總體方案的正確性和合理性，設計了智能循環檢測樣機并在煤礦井下進行現場試驗應用，對智能檢測模塊的功能進行驗證，選擇山西大同煤礦1500帶式輸送機作為檢測對象和目標，通過帶式輸送機上方巷道頂部的錨桿支撐軌道系統，將智能檢測模塊安裝在軌道上，搭建起整個試驗系統。通過對智能檢測模塊上電，連接上位機，由上位機控制智能檢測模塊的移動。圖5所示為現場應用效果圖，圖6所示為上位機監控系統界面。圖5中，智能巡檢模塊位于帶式輸送機的上側方，可以對帶式輸送機上表面進行檢測，同時也可以對側方托輥和驅動機架等進行檢測。檢測到的數據通過WiFi模塊發送到圖6所示的上位機監控端。

圖5 現場應用效果

圖6 上位機監控系統界面

通過上位機監控端可以隨時查看巡檢模塊的運行軌跡、檢測位置點的溫度和內置電池的電量等信息，通過遠紅外攝像頭對帶式輸送機關鍵部件表面的溫度進行遠距離檢測，采集表面的溫度信息，對溫度異常位置準確標定，故障位置點自動生成歷史記錄可以隨時查看并導出。表1所列為采集數據與診斷歷史記錄。

通過現場實驗和應用表明，該套智能循環檢測裝置能夠代替人工完成井下帶式輸送機關鍵部件的檢測任務，實時采集關鍵部件的異常特征并進行分析判斷，識別精度≥99.5%，大大減輕工人勞動強度，降低企業的成本，取得了良好的應用效果。

5 結 語

針對礦山物料輸送機電設備關鍵部件檢測存在勞動強度大、檢測成本高、檢測效率低、結果不準確等問題，提出了一套智能循環檢測裝置設計方案，并對硬件系統和軟件系統進行了設計，為了驗證方案設計的合理性和技術的可行性，通過1 500 M帶式輸送機在煤礦井下的現場實驗與應用表明，智能檢測模塊可以實現自主運行，大容量鋰電池的續航時間大于15 h，識別準確度高達99.5%，可以代替人工完成對關鍵部件的檢測，節省企業的勞動力成本，有效避免事故發生，取得良好的應用效果和經濟效益。