淺議皮帶機膠帶表面破損及撕邊監測終端在電廠的應用

孟懷鋒

（國能常州發電有限公司，江蘇 常州 213002）

1 背景和意義

國電常州發電有限公司一期工程已建2臺63萬kW國產超臨界機組，全年耗煤量約為350萬t，來煤運輸方式采用輪船海運。輸煤系統現有16條皮帶輸送機。

皮帶輸送機廣泛用于輸送各種固體塊狀和粉料狀物料，是以電機聯結滾筒轉動以摩擦力驅動緊密貼合滾筒表面的閉合皮帶實現沿滾筒切線方向連續運輸物料的機械。主要由驅動電機和減速器、承重機架、物料輸送帶、皮帶托輥、驅動和改向滾筒、皮帶調緊裝置、滾動軸承等組成，具有動力功率大、運量大；具有多臺組成或與其他輸送設備組成水平或傾斜的輸送系統，滿足不同傳輸距離和布置形式的特點，動力裝置成熟方便地實行工藝流程的自動化操作。

皮帶輸送機在電廠輸煤系統安全生產中肩負著十分重大的責任。由于惡劣的工作環境、經常出現混有棱角的矸石、細桿狀物等尖銳物體，對膠帶表面及邊緣造成損傷，伴隨著劃痕、劃傷的出現，皮帶甚至會發生撕裂這樣的嚴重破損，一旦發生將會對電廠造成巨大的財產損失。

2 輸煤皮帶機常見故障分析

帶式輸送機主要由兩個端點滾筒及緊套其上的閉合輸送帶組成，帶動輸送帶轉動的驅動滾筒(傳動滾筒)；改變輸送帶運動方向的改向滾筒。驅動滾筒由電動機通過減速器驅動，輸送帶依靠驅動滾筒與輸送帶之間的摩擦力拖動。

驅動滾筒一般都裝在卸料端，以增大牽引力，有利于拖動。物料由喂料端喂入，落在轉動的輸送帶上，依靠輸送帶摩擦帶動運送到卸料端卸出。由于驅動滾筒和改向滾筒的加工精度、安轉位置精度和工業環境對滾筒表面的固體顆粒物污染造成滾筒表面運行與中心點不等距，容易造成帶式輸送機運行時膠帶跑偏（膠帶運行的中心線偏離機架的承重中心線）。

膠帶跑偏如果達到與機架產生摩擦的位置在高速運行情況下會與機架產生劇烈摩擦，如果不能及時處理，膠帶邊會被拉毛直至撕裂，也容易向外撒料嚴重時會發生停機和人身傷亡事故。

物料中混有矸石、煤塊、尖銳雜物由高點直接砸膠帶，膠帶懸空易造成刺穿，刺穿物卡膠帶不易脫落造成撕裂膠帶事故。

皮帶運輸機是以摩擦力驅動緊密貼合的皮帶實現沿滾筒切線方向連續運輸物料的機械。膠帶與驅動滾筒貼合不緊密或滾筒與膠帶結合面有水、油等降低摩擦系數的物質，造成拖動負載能力顯著下降（電機維持原轉速）；膠帶承載物料質量大超過設計承重、膠帶卡阻、滾筒軸承損壞或托輥損壞造成滾筒與緊密貼合的膠帶劇烈摩擦產生大量的熱和膠帶表面的快速磨損，形成火災隱患、膠帶變薄容易刺穿，嚴重時造成抽芯損壞，運行時膠帶易出現刺穿和抽芯撕裂事故。

3 輸煤皮帶機的一些防護措施

皮帶運輸機是以摩擦力驅動的設備，打滑事故的主要特征：局部運行部位（驅動、從動、改向滾筒）的溫度快速升高，易發生膠帶燃燒和誘發火災。

（1）使用阻燃膠帶，避免膠帶燃燒或成為燃燒物。

（2）膠帶上無浮煤、無水、無油、無雜物，機頭，機尾無堆煤。

（3）局部運行部位安裝溫度檢測監控裝置，皮帶運輸機易產生粉塵堆積的部位安裝火災報警和自動滅火裝置。

皮帶運輸機傳輸距離長，由于制造精度、安裝精度和使用環境的原因，跑偏故障（先由局部發展到全部）經常發生。

（1）選用符合國家和運行要求的合格產品，安裝要達到規范規定的制造和安裝精度。

（2）膠帶運行沿線安裝跑偏監測裝置，實現沿線全部檢測（圖1）。

圖1 跑偏開關檢測器

皮帶運輸機運輸的物料由漏斗直接下落到膠帶，依靠膠帶本身的強度對抗沖擊力。

（1）及時修補已磨損的漏斗，避免重量大的尖銳物體（矸石、煤塊、金屬異物）砸向膠帶。（2）及時處理跑偏故障，避免撕裂膠帶和物料遺撒。（3）設置膠帶縱向撕裂監測裝置，及時發現故障（圖2）。

圖2 防撕裂檢測裝置

做好沿線防護，在帶式輸送機沿線，架設安全網，防止物料飛出，發生傷害事故；對旋轉器件加裝防護罩，防止人員觸及，發生傷害事故。

皮帶輸送機中的滾動軸承主要功能：支撐機械旋轉體，降低設備在傳動過程中的機械載荷摩擦系數。防止軸承過熱和潤滑油自身老化避免軸承故障是機械維護的重點。經常性對軸承部位測溫及時發現故障點，定期做好潤滑。

4 輸煤皮帶機皮帶運行狀態數據的采集

大部分皮帶撕裂均為縱向撕裂，縱向對抗撕裂強度僅僅依靠橡膠本身的強度是不夠的。撕裂和打滑是皮帶運輸機最常見的故障：直接或間接造成膠帶的撕裂和使用壽命的降低。按皮帶撕裂程度的表現時間，分為瞬間撕裂和緩慢撕裂。瞬間撕裂通常具有：皮帶跑偏，皮帶上扎有較大的異物（比如鋼片），故障點易于發現。緩慢撕裂時，一個破損部位（劃痕或劃傷處）逐漸增大，增長直至撕裂的過程，這個過程持續時間較長，這類故障發生較普遍，難發現。

對皮帶運輸機的運行狀態和膠帶表面情況的檢測是發現故障，維護皮帶機穩定運行的重要方法。皮帶跑偏和打滑造成膠帶撕裂和使用壽命降低。

4.1 皮帶表面穿透性撕裂檢測

膠帶發生穿透性撕裂通常伴隨物料撒漏、異物刺穿卡頓、膠帶完整性毀壞的特點。

（1）漏料檢測器形如天平，托盤接刺穿處漏料改變與平衡錘的平衡，觸發限位開關發出報警。缺點：撕裂處不一定漏料，托盤粉塵累計誤報，檢測精度低；由于撕裂處的漏料，再均勻受料模式下撕裂處的物料對托輥表面的壓力出現異常，裝在托輥表面的測力傳感器發出報警。缺點：發生撕裂，未漏料的情況下，壓力檢測器無法感受明顯的變化，漏檢或誤檢，維護成本高使用壽命較短。

（2）異物刺穿卡頓在膠帶上運動，觸碰在機架與托輥之間與膠帶下表面形狀吻合的輕質量的條狀物，條狀物產生偏轉觸發限位開關發出報警。缺點：無法檢測物料或者異物體積較小的皮帶撕裂。

（3）膠帶完整性毀壞后撕裂的膠帶或散落的物料由于高速運動會觸碰類似托輥結構接近載煤皮帶下表面的檢測裝置，觸發檢測裝置底端的限位開關發出報警。缺點：未發生物料泄漏或撕裂程度不大時，沒有足夠的力量觸發報警，易誤報；皮帶中固定間距內安裝電磁線圈，皮帶撕裂造成電磁線圈回路切斷，電磁信號無法順利傳輸和采集，檢測器發出報警信號。缺點：皮帶需要改造，成本較高，長時劇烈震動和磨損，傳感器設備易發生損傷，干擾檢測精度。

4.2 皮帶跑偏的檢測

皮帶跑偏一般由局部發展到全部，所以皮帶跑偏檢測是全線在固定距離安裝跑偏檢測器。皮帶運轉發生跑偏會觸碰跑偏開關，根據跑偏情況分級報警，通過不同的報警級別可以推測皮帶撕裂。應為大多皮帶縱向撕裂口徑不明顯，跑偏開關對檢測皮帶跑偏有一定效果，但是，對皮帶撕裂并沒有很好的檢測效果。

4.3 紅外成像測溫設備

皮帶運輸機打滑事故的主要特征：局部運行部位的溫度快速升高，紅外測溫設備探測被診斷設備表面的紅外輻射信號（物體表面的溫度場），從而獲得設備的熱狀態特征，并根據這種熱狀態及適當的判據，作出設備有無故障及故障屬性、嚴重程度的診斷判別，測量不接觸皮帶。

紅外輻射信號與溫度之間有絕對的相關性，但并非線性相關，同時還會受到待測目標表面發射率、反射率、大氣衰減以及物體所處環境的反射輻射等影響，需要溫度校正。

5 皮帶機膠帶表面破損及撕邊智能監測終端的應用

皮帶破損檢測目的是代替皮帶破損的日常人工巡檢，提高檢出率和更智能的皮帶破損識別方法，對膠帶表面劃痕、劃傷檢測，及時發現緩慢撕裂部位。智能監測終端應有溫度、圖像等數據的處理、存儲和網絡通信功能。

5.1 機器視覺

機器視覺系統具有：

（1）非接觸測量。

（2）具有較寬的光譜響應范圍，適用可見光或非可見關。

（3）長時間穩定工作，人類難以長時間對同一物體進行觀察，而機器視覺則可以長時間地作分析和識別任務。

（4）系統自動化程度高、易于信息集成、檢測穩定和魯棒性強。用智能監測終端的邊緣計算功能可以減輕圖像處理對光纖、無線網絡傳輸、服務器、交換機、通信的壓力，避免發生故障，影響整個系統的運行。

5.2 圖像識別

采用機器視覺技術，基于深度學習神經網絡，用訓練好的AlexNet和GoogLeNet對磨損的輸送機皮帶圖像進行遷移訓練，進而識別磨損的輸送機皮帶表面圖像。

攝像頭安裝在皮帶張緊段（皮帶表面完全展開）附近的固定位置，正向面對皮帶拍攝，就近的機器視覺處理機通過判斷皮帶在視頻圖像中的磨損條紋來判斷是否發生磨損以及磨損的程度和趨勢，并將信號傳回中控（圖3）。

圖3 安裝示意圖

5.3 邊緣計算

邊緣計算是指在靠近物或數據源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，提供近端服務，產生更快的網絡服務響應。在皮帶表面破損檢測系統就近配置智能監測終端，大量的計算包括視頻圖像分析處理等均在檢測點安裝的智能監測終端中完成計算和處理，僅將結果及時發送至系統軟件平臺。

6 機器感知系統軟件平臺

系統在中控室安裝機位，部署機器感知系統工作站，工作站軟件平臺采集各個皮帶機保護智能硬件終端節點的通信數據，實現設備和數據管理功能。

機器感知系統軟件采用柔性定制開發平臺開發，其精髓思想是將軟件開發可視化，進行高度封裝，通過設置來實現應用軟件的各項功能，實現軟件開發的無編碼化。軟件平臺能夠提供事項顯示、事項來源、歷史查詢、分級優先報警、記錄存儲、趨勢查詢、權限管理等功能，并負責與輸煤DCS的通信。

7 結語

利用機器視覺系統和圖像識別技術對運轉膠帶表面的破損及撕邊進行連續的檢測，監測圖像存儲可查詢，檢出率高。部署在檢測裝置附近的智能監測終端，發揮邊緣計算功能優勢，與機器感知系統軟件平臺結合，使皮帶機膠帶表面破損及撕邊檢測系統具有保護安全可靠、易維護、成本低的優勢，對減輕工人勞動強度、提高生產效率有很大幫助。