煤礦鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統設計應用*

崔亞義

(山西高河能源有限公司，山西 長治 046000)

0 引 言

帶式輸送機是煤礦生產系統中重要的機械設備，在國內的各大煤礦中廣泛使用[1]。鋼絲繩芯輸送帶是帶式輸送機中最關鍵的部件，主要用于承載物料并克服摩擦力進行物料輸送，在主斜井中輸送帶長期處于高負荷、滿載運行工況，加上煤礦井下環境比較惡劣，輸送帶內部鋼絲非常容易發生銹蝕、磨損甚至會斷裂，鋼絲的斷裂導致帶式輸送機的張力發生突變，非常容易引發煤礦斷帶事故[2-3]。按照煤礦安全管理要求，必須對輸送帶進行定期檢測，傳統的檢測方式是工人攜帶檢測裝置對停機的設備進行檢測，存在檢測耗時長、勞動強度大的問題，而且由于鋼絲位于內部，檢測非常困難，檢測結果準確度也不高[4]。針對傳統人工檢測存在的諸多問題，對鋼絲繩芯輸送帶常見損傷和故障類型進行分析探討，提出一種基于X射線的輸送帶在線檢測系統設計方案，可在運行過程中完成檢測任務，大大減輕工人的勞動強度，由于X射線穿透性比較強，它可以對內部鋼絲進行準確檢測和診斷，有效避免煤礦事故的發生，對于保證設備安全運行具有重要的意義和價值。

1 鋼絲繩芯輸送帶常見損傷與傳統檢測方法

1.1 鋼絲繩芯輸送帶損傷類型分析

輸送帶長時間運行過程中，受到煤礦井下潮濕、多塵和電磁輻射等環境的影響，受到長距離、大運量和滿載運行等工況要求，內部的鋼絲繩非常容易出現損傷和缺陷，常見損傷類型包括內部鋼絲局部斷絲、鋼絲銹蝕、鋼絲彎曲、鋼絲交錯等，這些會影響輸送帶的張力及輸送帶運行的平穩性[5]。表1所列為帶式輸送機鋼絲繩芯輸送帶常見缺陷和損傷類型及表現形式。

由表1看出，目前常見的輸送帶內部鋼絲繩損傷主要有6種類型，其中最常見的鋼絲繩芯故障為局部斷絲、銹蝕和排布不均勻3類，當輸送帶內部斷絲到一定程度將會引起斷帶事故，鋼絲銹蝕是引起內部斷絲的前提，內部鋼絲不均勻將會導致內部鋼絲應力不均，長時間滿載運行非常容易造成輸送帶運行故障。為此為保證煤礦設備安全正常運行，必須對帶式輸送機輸送帶進行定期檢測，從而避免因內部斷絲嚴重而導致斷帶事故發生[6]。

表1 帶式輸送機常見缺陷與損傷類型

1.2 傳統檢測技術與方法

目前國內輸送帶內部損傷檢測主要采用傳統檢測方式，就是通過工人肉眼觀察或攜帶檢測裝置對停機的輸送帶進行檢測，通過維護人員肉眼觀察很難準確檢測到輸送帶內部的鋼絲損傷，而現有的檢測設備穿透力不強，檢測的結果不精確，并且在檢測過程中需要帶式輸送機停機，影響生產效率。隨著無損檢測技術的發展，可采用新的檢測技術手段對鋼絲繩芯輸送帶進行準確高精度檢測，及時發現輸送帶的內部斷絲、銹蝕和排布不均等損傷問題，保證輸送帶運行的平穩性，有效避免斷帶事故的發生。圖1所示為帶式輸送機停機檢測現場，需要工人爬在輸送帶上進行檢測，勞動強度比較大、環境比較惡劣。

圖1 輸送帶傳統檢測方法

2 鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統總體方案

2.1 無損在線檢測總體技術方案

鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統利用X射線穿透力強且成像清晰的特點，將X射線發射箱布置于帶式輸送機下方，主要由X射線發送裝置、接收裝置、電路控制箱和上位機監控系統等部分組成，其中X射線發射裝置安裝在帶式輸送機的正下方，用于對輸送帶的信息進行準確采集，它可以形成一條綠色的檢測線，穿透輸送帶的外表面直接進入內部鋼絲層[7]。

圖2所示為在線檢測系統總體方案，它主要由X射線發射裝置、電路控制模塊、工控機和上位機監控系統等部分組成，由X射線發射模塊和電路系統組成了X射線處理箱，可以對帶式輸送機照射X射線并接收到X射線的反饋信息，其中X射線發射裝置布置在輸送帶的下方，便于準確使用X射線對輸送帶進行照射，電路控制模塊主要由多種電路相互連接而成。

圖2 總體技術方案組成

2.2 X射線檢測原理

目前幾乎所有的帶式輸送機都可以被X射線穿透，本次鋼絲繩芯輸送帶采用X射線進行照射，X射線穿透輸送帶后會受到鋼絲、橡膠、內部縫隙等不同程度的衰減，利用X射線可以采集到經X射線轉換處理的不同強度的電信號，然后遠程控制系統處理端對檢測到的信號進行數字化顯示，并且工控機將分析得到的數據在上位機中顯示，從而可以獲取到鋼絲繩芯輸送帶內部鋼絲、橡膠的各種狀態，從而可以獲取到鋼絲表面的損傷、斷絲或交疊等問題，獲取到定位缺陷或問題鋼絲所在的位置并及時發出報警。

圖3所示為X射線照射原理圖，通過接收端對光帶進行分析，也可以判斷出輸送帶是否發生斷帶、縱撕、表面損傷等問題，有效避免輸送帶的故障或斷裂。X射線照射的基本原理是由X射線發生裝置和X射線探測裝置組成，X射線發生器通過小孔產生X射線并均勻照射在輸送帶的下表面，由X射線探測裝置采集輸送帶X射線信號，從而對內部信息進行采集并由電路系統進行處理和分析，整個執行過程需要硬件模塊和軟件系統，還需要使用圖像處理算法對檢測到的圖像信息進行處理[8]。

圖3 X射線檢測基本原理圖

3 硬件與軟件系統組成

3.1 硬件系統組成

X射線在線檢測硬件系統主要由多個檢測設備組成，包括X射線發射裝置、X射線探測器、控制系統模塊等。

(1) X射線發射裝置 X射線發射裝置包括產生和控制X射線發射的所有結構組合，其中X射線發射裝置發出的射線可以穿透目前幾乎所有類型的輸送帶，文中要求X射線自身的能量不能過強，使射線穿過空氣、橡膠、鋼絲的衰減能夠在X射線探測器接收到的信號范圍內準確區分，連續工作時間應能滿足當前最長輸送帶的單圈運行時間。X射線發生裝置建議參數：出線束應為扇形束，管電壓應不低于80 kV，出線狀態連續工作時間應不小于90 min。

(2) X射線探測器 X射線探測器可以探測發射端照射出的X射線，并且對X射線的強度進行轉換，將物理信號轉變為電信號并由電路系統進行處理和分析。X射線探測器應能承受射線發生裝置直接照射的能量，能區分輸送帶內部鋼絲單股斷裂的變化，可在高速運動狀態下對輸送帶內部進行清晰的成像。表2所列為X射線探測器的基本參數特征。

表2 X射線基本參數特征

由表2看出，X射線探測器裝置采用的是線陣探測器，使用X射線照射鋼絲繩，在底部將會呈現出一條綠色的光帶，從外部來看，當輸送帶沒有表現出縱撕、磨損時，綠色光帶邊緣非常整齊且大致呈直線形，通過接收端探測器可以檢測出輸送帶內部鋼絲的斷絲情況。

(3) 控制系統模塊 控制主機是整個控制系統的硬件核心，包括電路系統和監控系統上位機。通過控制系統可以遠程控制X射線發射裝置的開關和X射線探測裝置啟動信號檢測的開關，對數據進行處理并發送到工控機中，隨后由工控機將信息發送到上位機監控系統，一般而言，上位機監控采用的是專用的監控柜，需要滿足井下防爆的要求。在現場應用中，X射線發射裝置旁需要安裝防護裝置，使用高密度物質對射線進行一定程度的阻隔，避免高劑量的射線對人體進行照射從而影響身體健康[9-10]。

3.2 軟件算法流程圖

為了實現對輸送帶內部鋼絲的準確檢測并且發送到上位機端進行診斷分析，需要通過軟件算法來幫助實現，上位機監控系統軟件需要顯示整條皮帶內部的透視圖，對所有檢測到的缺陷進行自動識別并進行標定，對缺陷位置和原因進行智能分析和診斷，精確檢測鋼絲繩芯輸送帶內部鋼絲運行情況，并且能夠實時生成歷史記錄便于后期進行導出。圖4所示為軟件系統流程圖。

圖4 算法控制流程圖

從圖4可知，數據采集模塊需要對系統程序進行初始化，對最初設備記錄的輸送帶內層鋼絲的接頭或斷頭情況進行記錄，創建基礎數據庫，隨后利用X射線采集運行中輸送帶內層鋼絲的工況，包括斷絲、銹蝕和交叉布置等情況，采集到的數據與基礎數據庫進行對比，判斷是否屬于基礎數據庫中的故障類型，對數據進行分析和定位報警。對于非基礎數據庫中的鋼絲損傷會自動記錄新的數據庫，以標準數據庫的特征信號作為基礎對比，通過相似度最高的故障作為最終的判定結果，并對異常位置進行標定并報警提示，在上位機中可以記錄輸送帶內部故障的位置和自動導出歷史記錄。

4 現場實驗與應用效果

為了驗證本次提出的煤礦鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統方案的有效性，制作系統樣機并在國內某煤礦進行現場實驗與應用，按照總體技術方案的布置要求對各個模塊進行安裝，X射線發射裝置安裝在帶式輸送機下方，將探測裝置安裝在皮帶的側方，保證X射線穿透皮帶之后探測器能夠準確接收到射線強度的變化信號。在帶式輸送機運行的情況下進行在線檢測，圖5所示為現場應用與效果圖。

圖5(a)所示為本次鋼絲繩芯輸送帶無損檢測裝置樣機，圖5(b)所示為監控系統界面，通過樣機在現場進行應用，可以得到如圖6所示的應用效果圖。

圖5 現場應用與效果

圖6 在線檢測系統應用效果

從圖6可知，采用本套系統對鋼絲繩芯帶式輸送機進行檢測，可以準確識別輸送帶內部的彎曲變形、局部斷裂、縱向撕裂和排布不均勻等常見損傷，并且可以定位輸送帶內部鋼絲的位置，直觀地看到輸送帶內部的損傷，及時對內部損傷進行維護或對輸送帶進行更換，有效避免事故發生。

通過現場應用得出：所設計的鋼絲繩芯輸送帶在線檢測系統在帶式輸送機實際運行過程中可以完成動態檢測和異常的識別，采用穿透性較強的X射線對輸送帶內部和外表面進行智能檢測，避免停機，大大減輕工人的勞動強度。在上位機端顯示出內部鋼絲的動態影像圖譜，可以清楚識別內部故障，實現了自動采集數據，自動分析和自動報警，并且可以對異常位置進行準確標定，識別準確率≥98.6%，誤報率≤0.4%，缺陷的定位誤差≤150 mm，有效避免輸送帶事故發生，取得良好的應用效果。

5 結 語

針對煤礦物料輸送設備帶式輸送機傳統檢測方式存在工人勞動強度大、檢測效率低、檢測精度不高、檢測結果不可靠等問題，對鋼絲繩芯帶式輸送機常見缺陷和異常進行分析，探討了傳統檢測方式存在的問題，針對存在問題提出一套基于X射線的鋼絲繩芯輸送帶在線無損檢測技術方案，并對系統硬件部分和軟件系統進行介紹，最后完成樣機的制作并在現場進行應用，應用結果表明：采用這套檢測裝置可以準確、快速識別輸送帶內部鋼絲故障缺陷，識別精度高達98.6%，大大減輕工人的勞動強度，有效避免事故發生，對于提高煤礦安全生產和運行維護具有重要的參考意義和價值。