煤礦主運(yùn)輸皮帶故障智能診斷與保護(hù)研究

＊李 乾

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 山西 030053）

前言

煤礦主運(yùn)輸皮帶是煤礦生產(chǎn)的主要運(yùn)輸載體，對(duì)于保障煤礦企業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)發(fā)揮著重要作用。現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)多采用滾筒驅(qū)動(dòng)裝置摩擦力帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，在主運(yùn)輸皮帶運(yùn)行過程中經(jīng)常發(fā)生皮帶打滑、撕裂、跑偏、局部高溫等風(fēng)險(xiǎn)。為此，煤礦許多皮帶機(jī)都安裝了拉緊調(diào)節(jié)保護(hù)裝置和防撕裂保護(hù)裝置，并將機(jī)械化皮帶保護(hù)裝置與智能化控制系統(tǒng)結(jié)合起來，通過分析皮帶運(yùn)輸動(dòng)力學(xué)規(guī)律，不斷預(yù)測(cè)、校正運(yùn)輸皮帶動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，從而使煤礦井下運(yùn)輸皮帶更加穩(wěn)定高效運(yùn)行。

1.煤礦主運(yùn)輸皮帶故障

(1)煤礦皮帶機(jī)概述

作為一種大宗物料連續(xù)輸送裝置，皮帶運(yùn)輸機(jī)依靠滾筒驅(qū)動(dòng)皮帶連續(xù)作業(yè)，保障了煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性。在煤礦生產(chǎn)作業(yè)中常見的皮帶機(jī)主要是固定式皮帶輸送機(jī)和可伸縮式皮帶輸送機(jī)，無論是哪種皮帶機(jī)型號(hào)，其組成結(jié)構(gòu)基本類似。煤礦皮帶輸送機(jī)的基本構(gòu)成都是包括機(jī)頭裝卸部分、驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、皮帶儲(chǔ)放裝置、托輥裝置等，這些裝置密切配合，使得皮帶輸送機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)起來。從皮帶機(jī)故障類型來看，皮帶機(jī)故障可劃分成機(jī)械故障、電氣故障、生產(chǎn)性故障等；從皮帶機(jī)故障發(fā)生位置來看，皮帶機(jī)故障可進(jìn)一步精確到具體的設(shè)備故障，例如電機(jī)故障、滾筒故障、CST故障等。本文從皮帶機(jī)故障本身分析，主要研究煤礦主運(yùn)輸皮帶打滑、撕裂、跑偏、過載等問題，并對(duì)皮帶故障智能診斷和保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

(2)煤礦皮帶故障診斷分析

煤礦皮帶故障診斷主要依靠信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)來完成，該系統(tǒng)包括信號(hào)檢測(cè)單元、信號(hào)處置分析、PLC控制單元、數(shù)字信號(hào)顯示裝置、報(bào)警系統(tǒng)和動(dòng)作執(zhí)行單元。不同于傳統(tǒng)皮帶機(jī)單一故障診斷的模式，采用嵌入式邏輯運(yùn)算控制模塊可以很大程度上提升皮帶機(jī)故障診斷的自動(dòng)化、智能化水平。就皮帶機(jī)故障定性分析而言，將影響故障的各種原因通過樹狀圖進(jìn)行排列，針對(duì)可能影響皮帶故障的事故原因采取預(yù)防性措施，建立起頂端事件到故障發(fā)生的基本事件集合，從而得到煤礦皮帶機(jī)發(fā)生故障的準(zhǔn)確原因。就煤礦運(yùn)輸皮帶故障定量分析而言，皮帶機(jī)各種故障包括打滑、撕裂、跑偏等問題，都可以通過皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速、皮帶有效載荷變化、電機(jī)電流等特征參數(shù)進(jìn)行追溯，煤礦皮帶機(jī)故障自動(dòng)控制程序就是建立在上述參數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)的判斷上。建立皮帶故障信號(hào)關(guān)于皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速、載荷、溫度的多變量數(shù)學(xué)方程，當(dāng)皮帶機(jī)故障發(fā)生時(shí)必然伴隨著各種特征因素變化，調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)邏輯算法可以實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)判斷，判斷出皮帶機(jī)故障后發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通知PLC控制單元執(zhí)行必要的皮帶機(jī)保護(hù)動(dòng)作，從而使煤礦主運(yùn)輸皮帶重新回到正常工作狀態(tài)。

2.煤礦運(yùn)輸皮帶故障類型分析

(1)皮帶打滑檢測(cè)

皮帶打滑是煤礦皮帶機(jī)故障的主要形式之一，如果不能很好得處理皮帶打滑問題，輕則導(dǎo)致皮帶受到緊邊拉力作用而變得松弛，重則導(dǎo)致皮帶表面疲勞發(fā)生斷裂。研究皮帶打滑的物理過程可知，在皮帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，驅(qū)動(dòng)拉伸力僅僅略大于皮帶外周動(dòng)力，此時(shí)皮帶做勻速向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)或拉緊裝置負(fù)荷變化時(shí)，故障區(qū)皮帶外周線速度突然發(fā)生改變，此時(shí)就會(huì)發(fā)生皮帶打滑現(xiàn)象。煤礦皮帶機(jī)打滑必然伴隨著控制回路電信號(hào)的突變，可以在容易發(fā)生打滑的皮帶尾輪上安裝兩個(gè)電磁感應(yīng)板，將皮帶機(jī)打滑故障轉(zhuǎn)化成電信號(hào)顯示，對(duì)比以往正常的電信號(hào)基準(zhǔn)值，就可以很方便地查找皮帶故障發(fā)生的位置。在皮帶尾輪上安裝打滑檢測(cè)感應(yīng)板需要特別注意，通常不要將兩個(gè)電磁感應(yīng)板布置在一條直線上，而是呈120°夾角，這樣可以避免兩個(gè)電磁感應(yīng)板產(chǎn)生的電信號(hào)相互抵消的情況，減少皮帶機(jī)打滑誤報(bào)的可能。當(dāng)檢測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)皮帶打滑后，至少有一個(gè)電磁感應(yīng)模塊能夠檢測(cè)到尾輪已停轉(zhuǎn)，從而處置皮帶打滑故障。

(2)皮帶撕裂分析

煤礦皮帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易發(fā)生縱向撕裂現(xiàn)象，造成皮帶端面撕裂的主要原因有：膠帶材料彈性力不足，可承受的彈性張力不高；皮帶跑偏和打滑導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)拉伸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于皮帶拉緊彈性張力；較大煤塊或鐵器卡住皮帶或在膠帶面產(chǎn)生側(cè)向沖擊力。上述這些因素都會(huì)造成皮帶機(jī)前進(jìn)速率出現(xiàn)瞬時(shí)下降，此時(shí)需要皮帶電機(jī)輸出更大的功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果皮帶設(shè)備被卡住，驅(qū)動(dòng)皮帶前進(jìn)初始動(dòng)能和電機(jī)功率遠(yuǎn)大于正常值，那么PLC控制系統(tǒng)就能診斷出皮帶斷裂面故障，從而發(fā)出安全預(yù)警。針對(duì)皮帶斷裂面故障發(fā)生的位置，可以在皮帶的下料處安裝一對(duì)低頻電磁波發(fā)射和接收裝置，作為皮帶撕裂的有效檢測(cè)工具。正常情況下，該對(duì)低頻電磁波發(fā)射和接收裝置，每隔一段時(shí)間能夠檢測(cè)到皮帶數(shù)字量信號(hào)，顯示皮帶處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)皮帶界面發(fā)生撕裂后，電磁波接收裝置沒有傳感信號(hào)，此時(shí)意味著煤礦主運(yùn)輸皮帶可能在下煤口發(fā)生撕裂，要及時(shí)將主運(yùn)輸皮帶發(fā)生停機(jī)信號(hào)。

(3)皮帶跑偏分析

主運(yùn)輸皮帶跑偏也是煤礦安全生產(chǎn)過程中比較常見的故障類型。皮帶跑偏會(huì)造成煤礦正常生產(chǎn)諸多不利的影響，一方面，運(yùn)輸皮帶跑偏會(huì)導(dǎo)致物料產(chǎn)生偏移正常傳輸方向的偏向力，導(dǎo)致煤炭物料向外部傾撒，影響煤炭輸送效率；另一方面，皮帶跑偏會(huì)加劇機(jī)架、托輥及皮帶膠面的相互摩擦，導(dǎo)致皮帶表面磨損加劇，很容易發(fā)生皮帶縱向撕裂、局部剝離等事故。造成皮帶發(fā)生跑偏的原因有很多，比如皮帶左右兩側(cè)張力不平衡，皮帶兩側(cè)長度不一，皮帶截面受側(cè)向外力影響等，這些都會(huì)打破皮帶原本的受力平衡，導(dǎo)致皮帶發(fā)生跑偏現(xiàn)象。為了解決皮帶跑偏問題，可以從加強(qiáng)皮帶跑偏診斷入手，在皮帶機(jī)兩側(cè)安裝跑偏糾正裝置，及時(shí)糾正皮帶偏離向量。將皮帶跑偏開關(guān)安裝在皮帶軸兩側(cè)，借助皮帶軸轉(zhuǎn)動(dòng)的類圓周運(yùn)動(dòng)，糾正超過設(shè)定角度的皮帶偏轉(zhuǎn)，在皮帶機(jī)托輥下方按照一定順序設(shè)置托輥方向校正裝置，利用PLC自動(dòng)控制元件實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒、托輥組件的偏轉(zhuǎn)量的精準(zhǔn)調(diào)控，從而完成皮帶跑偏的糾正工作。

(4)皮帶溫度檢測(cè)

除了上述皮帶故障類型，對(duì)煤礦主運(yùn)輸皮帶溫度的檢測(cè)也是確保皮帶安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。一般地，皮帶局部溫度過高使得橡膠皮帶彈性模量下降，拉伸后恢復(fù)原來性狀的能力變差，導(dǎo)致皮帶橡膠材質(zhì)老化速率變快，增加企業(yè)的消耗材料的成本。由于煤炭屬于易燃介質(zhì)，當(dāng)在皮帶上運(yùn)輸時(shí)皮帶與煤礦摩擦生熱，并且橡膠皮帶的散熱性能不佳，導(dǎo)致煤礦皮帶機(jī)局部溫度過高，如果不能及時(shí)將皮帶上高溫耗散，很容易引發(fā)皮帶機(jī)著火事故。為了確保皮帶機(jī)在正常溫度區(qū)間穩(wěn)定運(yùn)行，引入皮帶溫度檢測(cè)裝置，有效防范皮帶機(jī)火災(zāi)事故發(fā)生就顯得十分必要。在皮帶機(jī)兩側(cè)安裝紅外溫度傳感器，當(dāng)檢測(cè)到煤礦皮帶機(jī)局部溫度超過安全閾值時(shí)，皮帶報(bào)警裝置會(huì)亮起，同時(shí)將皮帶局部高溫通過A/D轉(zhuǎn)換器將高溫警報(bào)信號(hào)傳遞給噴水控制單元，觸發(fā)皮帶機(jī)消防裝置向皮帶及輪轂附屬區(qū)域?yàn)⑺C(jī)降至正常溫度后，終止向皮帶高溫區(qū)噴水，從而有效維護(hù)皮帶機(jī)在正常溫度下作業(yè)。

3.煤礦皮帶故障智能保護(hù)系統(tǒng)研究

(1)皮帶故障智能決策系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

皮帶故障智能決策系統(tǒng)是建立在海量信息融合的基礎(chǔ)上，其核心是將傳感器采集數(shù)據(jù)、人工搜集數(shù)據(jù)和系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，輔助以外部信息源組成案例庫，通過復(fù)雜的邏輯運(yùn)算將各種數(shù)據(jù)信息同數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢索、對(duì)比分析，從而找出具有普遍數(shù)理統(tǒng)計(jì)意義最可信的故障原因，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦皮帶故障智能決策分析。皮帶故障智能決策系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)庫平臺(tái)、知識(shí)庫系統(tǒng)、案例庫系統(tǒng)、模型庫系統(tǒng)和用戶界面，詳細(xì)組成見圖1。皮帶故障數(shù)據(jù)庫平臺(tái)主要負(fù)責(zé)多種數(shù)據(jù)搜集、分類和存儲(chǔ)，為相關(guān)數(shù)理模型分析提供分析的基礎(chǔ)。皮帶知識(shí)庫系統(tǒng)除了提供各種規(guī)則形式的知識(shí)，還掌握相關(guān)數(shù)據(jù)正反混合推理方法運(yùn)用。案例庫包含數(shù)理統(tǒng)計(jì)、預(yù)警分析等多個(gè)模塊，并且能夠?qū)?shù)據(jù)邏輯分析結(jié)構(gòu)保存起來，不斷豐富案例庫的內(nèi)容。用戶界面可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式信息溝通，將根據(jù)條件篩選的對(duì)策通過文本、圖形、表格等形式呈現(xiàn)。

圖1 皮帶故障智能決策系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖

(2)皮帶故障智能決策系統(tǒng)的處理流程

在皮帶故障智能決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依賴皮帶機(jī)上多種傳感器實(shí)時(shí)融合系統(tǒng)，可以高效地開啟皮帶故障智能處理過程。在煤礦主運(yùn)輸皮帶機(jī)上有很多傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)信號(hào)超過故障設(shè)定閾值時(shí)，智能保護(hù)系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)部件狀態(tài)、周圍環(huán)境信息對(duì)檢測(cè)特征參數(shù)進(jìn)行綜合判定，從而有效找尋皮帶機(jī)故障的根源。皮帶故障智能決策依賴問題類型及人機(jī)交互系統(tǒng)要求開展相關(guān)工作。在故障模式確定環(huán)節(jié)，對(duì)比當(dāng)前皮帶機(jī)故障，在系統(tǒng)故障庫中依靠人工搜集數(shù)據(jù)、當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合推理分析，查找出準(zhǔn)確反應(yīng)當(dāng)前故障的特征。在具體故障排查階段，利用現(xiàn)有知識(shí)庫檢索符合故障特征的解決方案，并依據(jù)現(xiàn)有知識(shí)庫系統(tǒng)判斷對(duì)故障進(jìn)行具體分析，并形成量化分析結(jié)論。對(duì)于不確定性的推理方案，可以結(jié)合以往皮帶機(jī)故障典型案例，找尋皮帶機(jī)故障解決方案的通用策略，為化解皮帶機(jī)相似故障提供合理的處置手段。

(3)皮帶故障信息融合技術(shù)

皮帶故障智能診斷與保護(hù)系統(tǒng)的研究離不開配套技術(shù)的支持，信息融合技術(shù)則構(gòu)成了皮帶機(jī)故障決策的關(guān)鍵控制因素。當(dāng)前皮帶機(jī)故障決策支持系統(tǒng)主要是分散式結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)，前者利用各種傳感器獨(dú)自完成皮帶機(jī)故障信號(hào)搜集，并初步進(jìn)行故障類型判定，適用于單個(gè)傳感器運(yùn)行的故障分析模式；后者通過多個(gè)傳感器共同參與皮帶機(jī)故障的診斷，能夠得到皮帶故障較為完整的故障類型，適用于較為復(fù)雜的多傳感器檢測(cè)平臺(tái)。按照皮帶機(jī)故障信息融合程度的高低，融合技術(shù)可以分為數(shù)據(jù)層、特征層和決策層，三者對(duì)于數(shù)據(jù)依賴程度逐漸降低，對(duì)于故障判斷靈活性逐漸提升。就皮帶機(jī)故障信息融合技術(shù)的邏輯算法而言，目前主流的邏輯算法有加權(quán)平均算法、貝葉斯推理、D-S證據(jù)推理等，無論是依靠具體參數(shù)估算還是依靠特征推理，都是建立在數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫和典型案例庫關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)上，這樣才能實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)故障信息融合，提高皮帶機(jī)故障診斷與保護(hù)的工作效率。

4.結(jié)束語

總之，煤礦主運(yùn)輸皮帶安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義，皮帶機(jī)故障智能診斷與保護(hù)研究能夠確保皮帶更加高效的運(yùn)行。煤礦皮帶故障診斷應(yīng)該建立在跑偏、打滑、撕裂等故障類型科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，依靠故障智能決策系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種信息聯(lián)通，借助實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、知識(shí)庫和案例庫等實(shí)現(xiàn)故障智能決策分析，運(yùn)用信息融合技術(shù)提升皮帶故障診斷的效率，從而不斷做好煤礦皮帶機(jī)設(shè)備故障診斷和保護(hù)工作。