煤礦主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測和防治系統(tǒng)研究

朱艷軍 任曉迪 席 冉

（1.中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省朔州市，036000；2.國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院，北京市朝陽區(qū)，100029）

帶式輸送機(jī)在輸送過程中經(jīng)常出現(xiàn)膠帶損傷、跑偏、打滑、斷帶、電機(jī)定子超溫以及煤倉堆煤等故障，這些故障經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致重大的事故，對(duì)生產(chǎn)造成重大損失。《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定，采用滾筒驅(qū)動(dòng)主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)運(yùn)輸時(shí)，必須裝設(shè)驅(qū)動(dòng)滾筒防滑保護(hù)、堆煤保護(hù)、防跑偏裝置、溫度保護(hù)和自動(dòng)灑水裝置；在主要運(yùn)輸巷道內(nèi)安設(shè)的主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)還必須裝設(shè)輸送膠帶張緊力下降保護(hù)裝置和防撕裂保護(hù)裝置。因此，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，應(yīng)開發(fā)出更適合煤礦安全生產(chǎn)的智能型和多功能主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)保護(hù)控制裝置，以適用于煤礦井下主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行。基于此，設(shè)計(jì)了一套主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測和防治系統(tǒng)。

1 主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測和防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測和防治系統(tǒng)主要由信號(hào)檢測和測量裝置（繼電器或傳感器）、信號(hào)處理和控制單元（PLC）、執(zhí)行裝置、數(shù)字顯示和報(bào)警裝置組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)單純繼電器檢測方式的誤判和漏判現(xiàn)象，大大提高了故障診斷的智能性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)故障早預(yù)報(bào)和早處理的目的。

帶式輸送機(jī)的各種故障（損傷、跑偏、打滑、斷帶、電機(jī)定子超溫、煤倉堆煤）均可歸結(jié)為速度、負(fù)載和溫度等帶式輸送機(jī)運(yùn)輸過程中的特性變化所引起，因此，本系統(tǒng)所監(jiān)測的主要參數(shù)為帶式輸送機(jī)的速度、電機(jī)電流和溫度。帶式輸送機(jī)故障診斷和監(jiān)測過程中根據(jù)各個(gè)參數(shù)的不同調(diào)用不同的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的預(yù)判斷，控制處理器（PLC）根據(jù)判斷結(jié)果控制電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作或者聲光報(bào)警器報(bào)警。

圖1 主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 主運(yùn)輸帶式輸送機(jī)故障監(jiān)測和防治系統(tǒng)功能

2.1 膠帶損傷檢測

膠帶損傷是煤礦使用帶式輸送機(jī)最常見的故障之一，在井下煤炭運(yùn)輸過程中，膠帶鋪設(shè)長度較長且井下工作環(huán)境較差，很容易引起損壞。膠帶損傷有以下幾種常見形式：

（1）轉(zhuǎn)載機(jī)與帶式輸送機(jī)機(jī)尾搭接高度不夠，機(jī)尾緩沖托輥失去彈性，當(dāng)大塊的物料從轉(zhuǎn)載機(jī)上落下，形成較大的沖擊力而撞破膠帶的上覆蓋層，甚至破斷帶芯，形成窟窿。當(dāng)物料中夾帶尖銳物體時(shí)，很容易劃破膠帶，造成膠帶縱向撕裂。

（2）膠帶跑偏會(huì)引起膠帶和機(jī)架摩擦，產(chǎn)生膠帶邊拉毛開裂，時(shí)間久了水會(huì)從破損處滲入，膠帶帆布層會(huì)逐漸腐爛。

（3）膠帶搭接時(shí)接頭不齊、不平或不直，造成膠帶受力不均勻而破裂。

（4）膠帶制造質(zhì)量差或使用保管不當(dāng)，如地面使用的膠帶夏季長期在烈日下曝曬，冬季膠帶表面積水結(jié)冰造成膠帶膠質(zhì)變硬而提前老化，形成老化損傷。

膠帶損傷后會(huì)影響膠帶的運(yùn)行速度，可以利用速度傳感器檢測膠帶的運(yùn)行速度，進(jìn)而判斷膠帶是否損傷。本系統(tǒng)選用常州聯(lián)力公司生產(chǎn)的KJ5007A型速度傳感器，帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)速度檢測傳感器緊貼帶式輸送機(jī)滾輪，轉(zhuǎn)盤（帶有齒槽）在光電傳感器凹槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。光電傳感器光路通斷受齒槽控制輸出相應(yīng)的方波頻率信號(hào)，頻率信號(hào)再經(jīng)頻率／電壓、電壓／電流變換后輸出4～20 m A的電流信號(hào)，根據(jù)電流大小的不同來監(jiān)測帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速度。

2.2 膠帶跑偏監(jiān)測和防治

膠帶跑偏的根本原因是膠帶在運(yùn)行過程中橫向受力不平衡，主要存在以下幾種常見問題：

（1）安裝質(zhì)量問題。安裝質(zhì)量問題包括機(jī)架和滾筒沒有調(diào)整平直、托輥軸線與輸送帶中心線不垂直、機(jī)架與地面連接強(qiáng)度不夠以及導(dǎo)料槽和卸料槽的導(dǎo)料擋板安裝位置不當(dāng)。

（2）本身質(zhì)量問題。膠帶接頭與中心線不垂直或膠帶邊呈 “S”型。（3）裝載質(zhì)量問題。裝載點(diǎn)不在輸送帶中央。（4）維護(hù)質(zhì)量問題。滾筒清掃不干凈，造成直徑不等。

為了解決膠帶跑偏而引起的帶式輸送機(jī)故障，在帶式輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)中和機(jī)尾等膠帶最容易跑偏的位置分別安裝一對(duì)防跑偏保護(hù)裝置。當(dāng)帶式輸送機(jī)正常工作時(shí)，跑偏開關(guān)的探桿在豎直位置，當(dāng)膠帶跑偏時(shí)，膠帶邊緣會(huì)碰到跑偏開關(guān)的探桿，并帶動(dòng)探桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)與探桿固定在同一軸上的凸輪也會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，并撥動(dòng)跑偏開關(guān)的微動(dòng)開關(guān)，帶式輸送機(jī)發(fā)出跑偏信號(hào)。帶式輸送機(jī)機(jī)頭膠帶跑偏監(jiān)測示意圖如圖2所示。

圖2 帶式輸送機(jī)機(jī)頭膠帶跑偏監(jiān)測示意圖

2.3 膠帶打滑監(jiān)測和防治

驅(qū)動(dòng)滾筒打滑是帶式輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的故障，帶式輸送機(jī)滾筒打滑是由滾筒的摩擦牽引力降低、超載或膠帶被卡住所致，摩擦牽引力降低是由于膠帶或滾筒沾到泥水以及膠帶張力下降所致。如果滾筒持續(xù)打滑得不到糾正，會(huì)導(dǎo)致膠帶著火，從而引起重大火災(zāi)事故。即使采用阻燃膠帶，驅(qū)動(dòng)滾筒持續(xù)打滑也會(huì)導(dǎo)致膠帶冒煙污染空氣。

當(dāng)帶式輸送機(jī)發(fā)生打滑現(xiàn)象時(shí)，滾筒和膠帶之間發(fā)生的劇烈摩擦?xí)節(jié)L筒溫度升高，根據(jù)此原理，在滾筒上設(shè)計(jì)溫度傳感器對(duì)滾筒的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)開始報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)灑水閥灑水降溫。帶式輸送機(jī)打滑監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 帶式輸送機(jī)打滑監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2.4 膠帶撕裂與斷帶檢測

膠帶撕裂與斷帶是帶式輸送機(jī)最嚴(yán)重的故障，一旦發(fā)生斷帶下滑和因逆止器失效造成的逆轉(zhuǎn)事故，就很容易摧毀帶式輸送機(jī)機(jī)架、損壞相關(guān)設(shè)備和堵塞運(yùn)輸巷道，造成停產(chǎn)甚至是人員傷亡的嚴(yán)重事故，給企業(yè)帶來重大經(jīng)濟(jì)損失。從大量的斷帶事故分析可知，膠帶撕裂與斷帶大概有以下幾種原因：

（1）齒輪減速器損壞，液力耦合器噴液或電動(dòng)機(jī)逆轉(zhuǎn)。

（2）膠帶接頭質(zhì)量問題。

（3）運(yùn)輸中因其他物體卷入而引起運(yùn)輸載荷突然增加。

（4）啟動(dòng)和停車時(shí)應(yīng)力變化大。

（5）膠帶自身質(zhì)量不過關(guān)，日常維護(hù)不到位。

2.4.1 膠帶撕裂的監(jiān)測方法

在帶式輸送機(jī)下方安裝漏料監(jiān)測器，當(dāng)膠帶被撕裂后，物料會(huì)通過裂口掉到下面的托盤上，根據(jù)重量平衡原理，當(dāng)檢測器上漏料的重量大于平衡錘的重量時(shí)，會(huì)使該裝置繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使限位開關(guān)動(dòng)作。這種檢測裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，檢查方便。漏料檢測器工作示意圖如圖2所示。

圖4 漏料檢測器工作示意圖

2.4.2 膠帶斷帶的監(jiān)測方法

當(dāng)膠帶負(fù)載忽然變輕或是膠帶忽然斷帶時(shí)，膠帶的運(yùn)行速度會(huì)馬上升高。一般膠帶的正常運(yùn)行速度是4.5 m／s。通過速度傳感器監(jiān)測膠帶的運(yùn)行速度，當(dāng)膠帶的速度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)帶速的105%時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并命令CST緊急停車（標(biāo)準(zhǔn)帶速為4.5 m／s）。

2.5 電機(jī)定子超溫監(jiān)測

定子超溫一般存在電和磁兩個(gè)方面的問題。從電的方面來說，主要是存在電機(jī)長時(shí)間過負(fù)荷、線圈繞組中出現(xiàn)相間或匝間短路、線圈絕緣層損傷以及內(nèi)部放電等問題。從磁的方面來說，主要是存在電磁磁耗和渦流損耗過大等問題。

當(dāng)電機(jī)定子溫度過高時(shí)，會(huì)破壞絕緣層，造成短路。監(jiān)測定子超溫現(xiàn)象是通過在定子繞組中放入熱敏電阻來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)定子的溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻的阻值變化，輸出電流也隨著變化，根據(jù)電流的大小來檢測定子的溫度。同樣為定子設(shè)置一個(gè)危險(xiǎn)溫度值，當(dāng)定子的溫度超過這個(gè)數(shù)值的時(shí)候，超溫監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警，強(qiáng)制電機(jī)停機(jī)。

2.6 煤倉堆煤故障監(jiān)測

當(dāng)煤倉內(nèi)有大煤塊堵塞煤倉漏口時(shí)，會(huì)使煤流受阻在煤倉內(nèi)，無法向帶式輸送機(jī)正常投放。由于煤倉較大，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤倉堆煤，會(huì)導(dǎo)致煤倉內(nèi)堆煤量越來越大，迫使使用大量的人力和物力來挖除煤倉內(nèi)阻塞的堆煤，此時(shí)運(yùn)輸系統(tǒng)將全部停工。這樣不僅增加了時(shí)間成本，降低了工作效率，同時(shí)也增加了人力和物力成本，提高了煤的生產(chǎn)成本。

為了解決煤倉堆煤問題，帶式輸送機(jī)頭部漏斗壁上安裝堆煤傳感器，并設(shè)置一個(gè)危險(xiǎn)煤位。當(dāng)漏斗中的煤位超過危險(xiǎn)煤位時(shí)，堆煤傳感系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員及時(shí)處理煤倉內(nèi)阻塞的煤。

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