帶式輸送機(jī)關(guān)鍵部件故障診斷預(yù)警系統(tǒng)

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摘要：為了提升礦井帶式輸送機(jī)的運(yùn)行安全保障能力，針對(duì)帶式輸送機(jī)輸送帶、電動(dòng)機(jī)、托輥等關(guān)鍵部件的常見問題，設(shè)計(jì)了一種故障診斷預(yù)警系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及監(jiān)測、診斷流程?，F(xiàn)場應(yīng)用后，取得的主要成果為：（1）通過弱磁檢測方法可對(duì)輸送帶內(nèi)部鋼絲繩芯是否有損傷進(jìn)行有效判定，從而為輸送帶維修、更換提供參考；（2）視覺檢測方法可用于煤流檢測，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶上的異物、斷裂進(jìn)行精準(zhǔn)判定；（3）托輥、滾筒以及電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)發(fā)熱是典型特征，通過紅外檢測方法可有效判定故障位置。設(shè)計(jì)的診斷預(yù)警系統(tǒng)可根據(jù)故障診斷結(jié)果發(fā)出預(yù)警信息，提醒附近作業(yè)人員及時(shí)處理，現(xiàn)場應(yīng)用也取得顯著效果。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；輸送帶；故障診斷；監(jiān)控預(yù)警

引言

帶式輸送機(jī)是礦井常用運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行過程中滾筒、滾筒等位置與輸送膠帶摩擦難以避免會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱，在驅(qū)動(dòng)張力作用下膠帶內(nèi)部的鋼絲繩芯會(huì)出現(xiàn)撕裂、損傷等問題，輸送機(jī)在使用過程中存在膠帶斷裂、輸送膠帶或者遺煤著火等問題［1－3］。為此，文中設(shè)計(jì)一種故障診斷系統(tǒng)用于對(duì)帶式輸送機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測，從而提升輸送機(jī)的運(yùn)行可靠性。

1輸送機(jī)結(jié)構(gòu)及故障分析

1．1輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

礦井由于井下運(yùn)輸距離長、載荷大，使用的輸送機(jī)多為雙驅(qū)動(dòng)方式，輸送機(jī)主要設(shè)備包括驅(qū)動(dòng)裝置、輸送膠帶、托輥等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸送機(jī)在長時(shí)間、重載荷運(yùn)行時(shí)，各個(gè)零部件均可能發(fā)生損傷、故障問題，若不能及時(shí)排除不僅會(huì)影響設(shè)備后續(xù)使用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致安全事故發(fā)生［4］。

1．2輸送機(jī)零部件常見故障

1．2．1驅(qū)動(dòng)裝置故障驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)滾筒、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)、減速器及對(duì)應(yīng)的控制裝置。輸送機(jī)在高載荷、復(fù)雜工況及惡劣環(huán)境運(yùn)行中，會(huì)給驅(qū)動(dòng)裝置帶來較嚴(yán)重的損傷，其中減速器、耦合器及電動(dòng)機(jī)均容易出現(xiàn)故障。減速器在長期高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，容易出現(xiàn)齒輪點(diǎn)蝕、磨損、齒根斷裂等問題；同時(shí)當(dāng)減速器密封件損壞時(shí)會(huì)造成漏油事故，給井下帶來一定的火災(zāi)威脅［4－6］。耦合器主要啟動(dòng)功率平衡并減小輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷影響，長時(shí)間使用時(shí)主要故障有耦合器漏油、軸承及齒輪異常噪聲、耦合器異常發(fā)熱。電動(dòng)機(jī)故障主要為振動(dòng)、過熱、過速、過流以及振動(dòng)等，當(dāng)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)上述隱患時(shí)，很容易造成故障擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒毀。

1．2．2輸送帶故障輸送帶是輸送機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置的承載結(jié)構(gòu)，打滑、斷帶、撕裂、跑偏以及著火等是輸送帶常發(fā)生的故障。具體故障為［7］：（1）輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)間高度過大、緩沖托輥失去彈性時(shí)，當(dāng)大塊物料從轉(zhuǎn)載機(jī)上掉落時(shí)容易造成輸送帶上部覆蓋層損壞，甚至里面帶芯斷裂，輸送帶出現(xiàn)窟窿。（2）輸送帶出現(xiàn)跑偏時(shí)會(huì)造成輸送帶與膠帶摩擦，造成輸送帶由于拉毛開裂問題，當(dāng)水從開裂位置滲入膠帶內(nèi)時(shí)容易腐蝕輸送帶外層。（3）輸送帶接頭位置不平直造成輸送帶受力不均衡，容易造成由于輸送帶受力不均衡出現(xiàn)斷裂問題。

1．2．3托輥故障托輥沿著輸送機(jī)全線分布，數(shù)量眾多，是輸送機(jī)的重要組成部分，承擔(dān)承托輸送帶、確保輸送帶有一定垂度作用。托輥運(yùn)行正常時(shí)給輸送帶造成的阻力較小，但是當(dāng)托輥出現(xiàn)故障時(shí)托輥兩側(cè)受力發(fā)生變化，會(huì)造成輸送帶跑偏、著火等問題。特別是輸送帶下的托輥由于接近巷道底板，容易被底板上的異物包裹，更容易出現(xiàn)故障。

2診斷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶損傷、關(guān)鍵零部件、煤流、異物及輸送帶撕裂以及人員安全等進(jìn)行監(jiān)測。

2．1輸送帶損傷監(jiān)測系統(tǒng)

輸送帶損傷監(jiān)測的主要內(nèi)容是探測輸送帶內(nèi)部以及接頭位置的損傷，具體采用弱磁監(jiān)測方式，監(jiān)測系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。具體的監(jiān)測、識(shí)別過程為：（1）通過使用磁加載模塊磁化輸送帶內(nèi)部的鋼絲繩芯；（2）采用損傷探測系統(tǒng)（監(jiān)測模塊）獲取輸送帶內(nèi)部損傷信號(hào)；（3）對(duì)損傷信號(hào)進(jìn)行降噪處理、信號(hào)特征提取；（4）通過工業(yè)以太網(wǎng)將提取到的信號(hào)特征傳輸至監(jiān)控上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶損傷診斷、識(shí)別。

2．2輸送帶零部件故障監(jiān)測系統(tǒng)

采用紅外熱成像、圖像識(shí)別及診斷技術(shù)，對(duì)電動(dòng)機(jī)、托輥等關(guān)鍵部件故障進(jìn)行診斷、識(shí)別，具體監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。具體過程為：（1）通過熱成像儀獲取電動(dòng)機(jī)、滾筒、托輥等位置的紅外圖像；（2）預(yù)處理獲取到的紅外圖像，并進(jìn)行圖像分割、提取圖像特征及圖像分列識(shí)別，從而獲取到電動(dòng)機(jī)、滾筒、托輥等位置的溫度場紅外圖像；（3）依據(jù)獲取到的紅外圖像溫度特征，從數(shù)據(jù)庫中獲取診斷規(guī)則進(jìn)行故障診斷、預(yù)警。在輸送機(jī)沿線關(guān)鍵部位布置紅外熱像儀對(duì)零部件紅外圖像進(jìn)行采集，獲取到的紅外圖像中溫度最高值為Tmax，當(dāng)Tmax＞50℃時(shí)，表明該位置的設(shè)備可能存在故障，則需要對(duì)該位置的部件進(jìn)行故障識(shí)別。依據(jù)識(shí)別的部件類型，從故障數(shù)據(jù)庫中調(diào)取對(duì)應(yīng)的故障診斷規(guī)則進(jìn)行故障判定及等級(jí)劃分，若判定設(shè)備運(yùn)行正常，則繼續(xù)采集、分析下一監(jiān)測位置的紅外圖像；若判定存在故障則依據(jù)故障類型及等級(jí)采取對(duì)應(yīng)的治理措施。當(dāng)紅外圖像中Tmax＜50℃時(shí)，表明該位置部的件運(yùn)行正常，系統(tǒng)則繼續(xù)采集、分析下一監(jiān)測點(diǎn)位置的紅外圖像。

2．3煤流監(jiān)測

采用視覺檢測法對(duì)輸送帶上的煤流進(jìn)行監(jiān)測（見圖5），通過高清防爆相機(jī)實(shí)時(shí)獲取煤流圖像。根據(jù)獲取到的圖像特征數(shù)據(jù)，融合三維視覺手段、多幀統(tǒng)計(jì)分析方法，計(jì)算輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的煤流體積。結(jié)合煤流密度，得到單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)輸?shù)拿禾苛?，最后依?jù)輸送帶的運(yùn)行速度，得到輸送機(jī)累計(jì)運(yùn)輸?shù)拿毫髁俊?/p>

2．4輸送帶異物及撕裂監(jiān)測系統(tǒng)

采用視覺檢測技術(shù)對(duì)輸送帶是否出現(xiàn)撕裂、是否有錨桿等異物進(jìn)行判定，具體識(shí)別流程如圖6所示。采用傅里葉描述子提取輸送帶上的異物形狀特征，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)異物進(jìn)行智能識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶上的非煤異物進(jìn)行監(jiān)測與報(bào)警，及時(shí)通知附近作業(yè)人員進(jìn)行處理，避免由于異物造成輸送帶撕裂問題。輸送帶撕裂識(shí)別處理流程如圖7所示，根據(jù)獲取到的圖像灰度差異提取輸送帶撕裂位置處的輪廓信息。具體的識(shí)別方法為：（1）首先對(duì)獲取到的輸送帶圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；（2）使用Canny邊緣識(shí)別算法識(shí)別出輸送帶撕裂邊緣位置；（3）依據(jù)獲取到的撕裂面積判定輸送帶是否出現(xiàn)撕裂故障，當(dāng)有撕裂發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

3總結(jié)

（1）根據(jù)井下使用的帶式輸送機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種輸送機(jī)關(guān)鍵部件監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過弱磁檢測方法對(duì)輸送帶的鋼絲繩芯是否出現(xiàn)損傷進(jìn)行檢測，采用紅外熱成像方法對(duì)電動(dòng)機(jī)、滾筒、托輥是否出現(xiàn)故障進(jìn)行判定，采用視覺檢測方法監(jiān)測輸送煤流、輸送帶是否有異物及撕裂。（2）現(xiàn)場工程試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的故障診斷預(yù)警系統(tǒng)可以對(duì)輸送帶損傷、電動(dòng)機(jī)、托輥等故障進(jìn)行監(jiān)測、診斷及故障預(yù)警，從而有效避免輸送機(jī)出現(xiàn)摩擦發(fā)熱著火、輸送帶斷裂等安全事故，可以在一定程度上提高輸送機(jī)運(yùn)行保全保障能力。

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作者：曹仲義 單位：山西焦煤汾西礦業(yè)賀西煤礦