矿山输送设备关键部件异常检测装置设计应用*

张小虎

(山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037000)

0 引 言

带式输送机是广泛应用于矿山开采领域的重要散料输送机电设备，在矿山开采领域发挥着重要的作用，同时也应用于化工、军工、码头和港口等行业[1]。近年来，带式输送机引起的煤矿事故频频发生，如2020年9月27日发生在重庆松藻煤矿的重大火灾事故，就是带式输送机发生故障引起的，此次事故共造成16人死亡，42人受伤，给企业造成了2501万元的直接经济损失[2]。事故的直接原因是煤粉积淀导致托辊卡死、磨破，进而造成局部高温引燃输送带，为此带式输送机关键部件及时检测对于保证带式输送机安全运行具有重要作用[3]。

目前对带式输送机关键部件的检测主要是人工完成，需要工人数量多，劳动强度大、检测成本较高、容易发生危险，而且受作业空间的限制存在检测不到位的问题，给煤矿的安全运行埋下许多隐患，为此对带式输送机关键部件常见故障进行分析，提出一套矿山输送设备循环检测智能系统方案，重点对带式输送机关键部件进行异常检测，代替人工完成矿山输送设备的检测任务，达到识别精度更高，节省人力成本，降低工人检测风险，提高煤矿安全管理水平的目标。

1 矿山带式输送机关键部件异常分析

1.1 带式输送机结构组成

带式输送机主要由托辊、输送皮带、支撑结构、驱动电机、制动器等部分组成[4]。图1所示为带式输送机结构组成图。

图1 矿山带式输送机结构示意图

带式输送机整体主要由机头部、机身部和机尾部组成，机头部主要由驱动电机、驱动滚筒、减速器等部分组成，机身部主要由输送带本体、托辊部件等部分组成，机尾部分主要由导向滚筒、张紧轮等部分组成。

随着煤矿开采深度的不断增加，带式输送机的运行逐渐向长距离、大运量发展，受到井下复杂环境的影响，伴随着粉尘、腐蚀性气体，潮湿，瓦斯、一氧化碳和硫化氢等有毒有害气体，带式输送机关键部件容易损坏，比如常见的带式输送机托辊卡死、减速器高温、输送带断裂、输送带纵撕等故障，这些都将影响物料的输送，引发矿山机电设备事故。

1.2 带式输送机常见异常分析

带式输送机受井下恶劣环境的影响，在实际使用过程中会出现各种机电设备运行异常情况。根据异常发生的位置不同大致可以对带式输送机的异常运行分为三大类，即机头部位、机身部位和机尾部位异常[5]。

(1) 机头部异常分析 机头部位电动机受粉尘的影响导致内部电阻增大引起的局部高温；减速器润滑不良引起的局部高温；驱动滚筒发生的筒体开裂，中轴损坏，轴承座的损坏破裂等异常情况。

(2) 机身部异常分析 机身部是以输送带和托辊做为主要构件[6]。输送带的损坏也是常见的一种带式输送机异常情况，包括有输送带的断裂、输送带的纵撕、输送带的跑偏、输送带大块矸石卡死、输送带局部磨损严重等异常情况[7]；托辊常发生的异常情况包括托辊卡死、托辊轴线弯曲变形、托辊磨穿形成破口、托辊局部高温、托辊筒壳的损坏等异常[8-9]。

(3) 机尾部异常分析 机尾部的异常主要是以结构的运行异常为主，包括滚筒的开裂、卸料故障、支撑座与基础的连接破坏、筒体包胶磨损严重等，这些异常都会引起带式输送机在卸料端对输送带的磨损加剧，出现局部高温。

通过以上带式输送机常见运行异常的总结发现，带式输送机关键零部件的异常故障往往会表现出不同的物理性质，比如发热、放光、声音异常等，所以对带式输送机运行异常进行检测的关键是准确把握发出的物理信号，对物理信号进行采集，随后转变为电信号进行处理和分析。

2 带式输送机循环检测方案设计

目前国内对带式输送机的检测一方面是采用人工进行检测，也就是通过工人手持检测装置沿带式输送机进行逐点检测，存在劳动强度大、效率低、成本高、结果不准确等问题；另一方面，随着监控技术的发展，出现了定点监控措施，在带式输送机周围布置多个监控点，每一个点可以负责监控一个区域，可以在上位机中以九宫格形式显示，从而达到对带式输送机关键部件进行异常监控，但是受井下恶劣环境的影响，定点检测设备需要频繁更换，需要做到防尘、防爆、防潮等措施，布置数量比较多，成本比较大。

为此，文中结合国内中信重工提出的循环检测思路分析，提出了一种智能循环检测系统,目的是实现对长距离带式输送机的全方位检测，避免重复布置检测点，降低企业的检测成本，图2所示为智能检测系统技术方案。

图2 智能循环检测系统技术方案

图2中，智能循环检测系统主要由支撑轨道、智能巡检模块本体、无线通讯系统和上位机监控系统组成，最核心的是智能循环检测模块。轨道系统对智能检测装置起到导向和支撑的作用，智能检测模块搭载多种传感器模块、远红外摄像头模块、拾音器等检测装置。在带式输送机上方架设轨道，智能巡检模块本体位于轨道上，智能巡检模块在轨道上运行，在运行的过程中由自身搭载的传感器检测装置和摄像头对带式输送机关键部件进行智能检测，在整个运行过程中，可以实现直线移动、上坡运行、下坡运行和转弯。智能检测模块是由硬件部分和软件系统组成，硬件系统包括各种传感检测装置，软件系统可实现智能检测模块与上位机之间的通讯和对检测数据的发送等。通过采集带式输送机的结构参数信息，完成带式输送机关键部件的检测和诊断分析，相比于传统的人工检测和定点检测而言，采用循环移动式检测可以达到比较好的检测效果，检测成本比较低，检测效果更好，采用WiFi通讯模块，实现远距离无线循环检测。

3 硬件系统与软件系统设计

3.1 硬件系统设计

智能循环检测模块硬件部分主要包括各种类型的传感器、数据分析预处理模块、大容量锂电池电源模块、控制模块、电压稳压模块等，其中的传感器包括有烟雾传感器、声音传感器、温度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器等多种环境参数采集传感装置。图3所示为智能循环检测模块的硬件组成，模块之间的线段表示模块之间的接线。

图3 智能检测模块硬件组成与接线

从图3中可知，整个检测装置主要有三大区域组成，探测腔，主控腔和电池腔。其中探测腔主要是完成对参数信息的采集，具体由各种传感器检测装置、数据处理器、无线终端和交换机等部分组成；主控腔是由电源稳压单元、控制单元和舵机等部分组成，主要是用于控制巡检模块的移动和调速；电池腔是以大容量可充电电池作为核心组件，用于对整个巡检模块进行供电，提供电力。智能检测模块安装的传感器主要有如下几类。

(1) 温湿度传感器。用于检测煤矿井下环境参数以及带式输送机载运行过程中的温度变化，采用温度传感器进行智能化检测。选用中煤科工集团重庆研究院设计的GWSD50/100温湿度本安型传感器。

(2) 烟雾传感器。用于检测煤矿巷道中的烟雾浓度，选用中煤集团的GQQ5矿用本安型烟雾传感器。

(3) 360°高清摄像头。用于对煤矿井下带式输送机进行视觉检测，选用国内可靠性较高的海康威视摄像头，并且搭载红外线测温模块，实现对高温区域的红外线定位。动力电池模块选用1 200 mA大容量可充电锂电池。

3.2 软件系统设计

除了硬件系统外，整个检测装置可以识别带式输送机的常见故障特征，对表现出来的故障特征进行提取并进行分析和处理，所设计的控制算法流程图如图4所示。

图4 算法流程图

图4(a)所示为整体的控制流程图，首先进行系统的上电初始化，对各个传感器装置、驱动电机和控制器等进行通电，然后巡检单元启动，可以采用人工手动操作也可以选择自动控制模式对巡检模块进行自动控制运行，当异常发生时将会启动异常检测算法并进行异常分析，判断到达机尾时自动改变方向，对另一侧进行检测。图4(b)是故障检测算法流程图，对带式输送机关键部件表面的温度信号、声音信号、有毒有害气体的浓度等进行分析，判断是否超过设定的标准值，与位置信息形成关联，从而触发报警系统进行报警，并对异常位置点进行定位。

4 现场应用与调试

为了验证总体方案的正确性和合理性，设计了智能循环检测样机并在煤矿井下进行现场试验应用，对智能检测模块的功能进行验证，选择山西大同煤矿1500带式输送机作为检测对象和目标，通过带式输送机上方巷道顶部的锚杆支撑轨道系统，将智能检测模块安装在轨道上，搭建起整个试验系统。通过对智能检测模块上电，连接上位机，由上位机控制智能检测模块的移动。图5所示为现场应用效果图，图6所示为上位机监控系统界面。图5中，智能巡检模块位于带式输送机的上侧方，可以对带式输送机上表面进行检测，同时也可以对侧方托辊和驱动机架等进行检测。检测到的数据通过WiFi模块发送到图6所示的上位机监控端。

图5 现场应用效果

图6 上位机监控系统界面

通过上位机监控端可以随时查看巡检模块的运行轨迹、检测位置点的温度和内置电池的电量等信息，通过远红外摄像头对带式输送机关键部件表面的温度进行远距离检测，采集表面的温度信息，对温度异常位置准确标定，故障位置点自动生成历史记录可以随时查看并导出。表1所列为采集数据与诊断历史记录。

通过现场实验和应用表明，该套智能循环检测装置能够代替人工完成井下带式输送机关键部件的检测任务，实时采集关键部件的异常特征并进行分析判断，识别精度≥99.5%，大大减轻工人劳动强度，降低企业的成本，取得了良好的应用效果。

5 结 语

针对矿山物料输送机电设备关键部件检测存在劳动强度大、检测成本高、检测效率低、结果不准确等问题，提出了一套智能循环检测装置设计方案，并对硬件系统和软件系统进行了设计，为了验证方案设计的合理性和技术的可行性，通过1 500 M带式输送机在煤矿井下的现场实验与应用表明，智能检测模块可以实现自主运行，大容量锂电池的续航时间大于15 h，识别准确度高达99.5%，可以代替人工完成对关键部件的检测，节省企业的劳动力成本，有效避免事故发生，取得良好的应用效果和经济效益。