帶式輸送機膠帶撕裂檢測技術(shù)綜述

熊念強，文 鋒，李 清，陳 磊，周 冉

(1.湖北能源集團鄂州發(fā)電有限公司，湖北 鄂州 436032；2.華中科技大學，湖北 武漢 430074)

作為一種運輸速度快、運輸量大、運輸距離長的運輸設(shè)備，帶式輸送機廣泛用于港口裝卸煤炭、礦山運輸?shù)V石等大宗物料運輸中。作為帶式輸送機牽引和運載的關(guān)鍵部件，膠帶主要由橡膠組成，為了提升膠帶的耐磨能力和承載能力，生產(chǎn)膠帶時會依據(jù)用途在其中貫穿不同材質(zhì)的芯繩，如纖維芯、帆布芯或鋼繩芯等。其中，鋼繩芯膠帶橫向抗拉強度及承載能力優(yōu)異，能夠顯著提高膠帶傳輸機的傳送速度和傳輸距離，廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域，但其縱向抗撕裂強度并未顯著提高，縱向撕裂較易發(fā)生，一直是膠帶面臨的關(guān)鍵問題[1-4]。

為了提高生產(chǎn)效率，膠帶的傳輸速度和距離均有所提高，穩(wěn)定速度通常在5m/s以上，傳輸距離通常在1km以上，如果產(chǎn)生撕裂后不能立刻停機、清除撕裂源，將致使膠帶發(fā)生貫穿性撕裂，導致物料漏灑、設(shè)備損毀，嚴重時甚至損毀機架，致使整條膠帶報廢，甚至威脅工作人員的人身安全。此外，膠帶撕裂事故會極大程度影響生產(chǎn)流程，降低生產(chǎn)效率，威脅企業(yè)的生產(chǎn)安全。因此，為了減小膠帶撕裂帶來的影響，迫切需要一種高準確度和高穩(wěn)定性的實時膠帶縱向撕裂檢測技術(shù)。

1 膠帶撕裂原因分析及特征表現(xiàn)

膠帶縱向撕裂發(fā)生的原因主要包括膠帶跑偏、抽芯、異物劃傷和物料卡壓等[5-8]。

1)膠帶上運輸?shù)奈锪戏植疾痪鶆蚧蛘唠姍C施力不均衡，會使得膠帶向運輸機一側(cè)偏移，長時間的膠帶跑偏，會導致一側(cè)出現(xiàn)嚴重損耗，受力不均衡，從而導致膠帶撕裂，其撕裂部位通常在膠帶的邊緣。

2)膠帶長時間運行時，會由于塊狀物料長時間磨擦和沖擊導致膠帶表面發(fā)生嚴重磨損，進而使膠帶中的繩芯裸露抽出，導致膠帶撕裂，該情況一般發(fā)生于鋼繩芯膠帶。

3)當膠帶輸送的物料中夾雜尖銳或堅硬的利器時，會使膠帶表面產(chǎn)生劃傷，有些比較尖銳的雜質(zhì)甚至會直接貫穿膠帶，造成膠帶撕裂。其撕裂部位因利器的大小和類型不同而出現(xiàn)的位置不同，異物劃傷撕裂是撕裂中最常見的誘因。

4)當膠帶輸送的運輸物料體積過大或卸載點加料量突然增大時，會導致物料卡壓，進而使膠帶受力不均勻，造成膠帶撕裂。

上述問題在帶式輸送機運行中常有發(fā)生，且一般發(fā)生較為突然和隱蔽，因此，如何實時發(fā)現(xiàn)膠帶異常，以便及時做出反應，一直是生產(chǎn)企業(yè)、科研工作者的研究方向[9-13]。

膠帶縱向撕裂如圖1所示，其最直觀的表現(xiàn)為膠帶表面出現(xiàn)裂紋或裂口，膠帶整體寬度變大，當撕裂程度較大時，會出現(xiàn)輸送料漏撒現(xiàn)象。膠帶的傳動主要靠膠帶與傳動滾筒和托輥之間的摩擦力，因此，工作中膠帶表面的溫度通常比室溫高，其溫度分布與膠帶表面與傳動滾筒和托輥之間的受力情況有關(guān)，當膠帶發(fā)生撕裂，傳動滾筒和托輥之間的受力情況必然發(fā)生改變，導致膠帶表面溫度場和應力場改變。此外，煤質(zhì)輸送機托輥一般為金屬材料，托輥與膠帶之間的受力變化也會導致摩擦產(chǎn)生的聲信號變化。

圖1 膠帶縱向撕裂

2 膠帶撕裂檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 基于機械操作的撕裂檢測技術(shù)

通過激活停止開關(guān)的方法，來判斷膠帶的撕裂，是基于機械操作的撕裂檢測技術(shù)。早在1987年，研究學者就提出了棒型檢測器[9]、弦線式裝置[10]和漏料檢測器[11]等基于機械操作的撕裂檢測技術(shù)。棒型檢測器是將一根棒彎曲成托輥型形狀，然后安裝在托輥與膠帶之間，當有刺穿膠帶的物體時，將撥動棒偏轉(zhuǎn)，迫使限位開關(guān)或載荷傳感器動作，使帶式輸送機停止工作。弦線式裝置與棒型檢測類似，該裝置是在膠帶下方安置一根與其輪廓相似的尼龍線，當刺穿膠帶的物體絆住此線時，會使尼龍線受力發(fā)生變化，從而使線連接的限位開關(guān)動作，使帶式輸送機停止工作。漏料檢測是由托盤、支點、平衡錘和開關(guān)組成。當物料因膠帶撕裂漏入托盤時，物料的重量會克服平衡錘的重量，使整個裝置繞支點運動，迫使限位開關(guān)動作，使帶式輸送機停止工作。

由上可知，基于機械操作的撕裂檢測技術(shù)是以撕裂口較寬為前提，導致物料伸出或者泄露的原理為基礎(chǔ)。如果膠帶的撕裂口較小，并未導致物料的伸出或者泄露，上述方法將無法對撕裂情況進行檢測。當膠帶的裂口大到有物料伸出或泄漏時，因膠帶撕裂產(chǎn)生安全事故的幾率會大大增加。因此，基于機械操作的撕裂檢測方法不具備實時監(jiān)測的功能，不能達到提前避免破壞，最大化程度減少損失的目的。目前，使用此類縱向撕裂檢測技術(shù)的應用場景也越來越少。

2.2 基于超聲波的撕裂檢測技術(shù)

基于超聲波的撕裂檢測技術(shù)主要是指利用超聲波轉(zhuǎn)換原理對膠帶進行監(jiān)測[12]。澳大利亞的Belt Systems公司對此類方法的研究較為充分[13]，基于此原理已經(jīng)研發(fā)了兩款膠帶撕裂檢測器BG5k和BG10k，工作原理如圖2所示，BG5k是通過兩個超聲探頭不斷測量膠帶的寬度，當膠帶發(fā)生縱向撕裂，膠帶的寬度會發(fā)生變化，BG10k是在一端將超聲波能量注入到膠帶中，在另一端通過接收器探測超聲信號，當膠帶發(fā)生撕裂，接收器接收不到超聲信號或收到的信號很微弱。這兩種檢測器目前在礦場有部分應用，能夠達到實時監(jiān)測的要求，但是檢測準確度一直不高。

圖2 BGk5和BgK10工作原理

基于超聲波的撕裂檢測技術(shù)面臨的最大問題之一是如何將超聲波耦合到膠帶中，此外膠帶上堆積的灰塵和污垢很容易阻止超聲波傳入膠帶中，膠帶的劣化也會影響超聲信號的傳導，因此，可以很容易掩蓋膠帶裂紋帶來的超聲信號變化。

2.3 基于膠帶改造的撕裂檢測技術(shù)

基于膠帶改造的撕裂檢測技術(shù)主要是指需要對膠帶進行特殊的設(shè)計和改造的撕裂檢測方法。目前，研究成熟且應用較多的主要有電磁感應檢測法和射頻識別檢測法。電磁感應檢測系統(tǒng)主要由發(fā)射器、膠帶上的導電回路和接收器組成，發(fā)射器輻射的電磁波在感應電路中感應出電壓，回路中產(chǎn)生的交流電流會產(chǎn)生交變磁場，接受器可以檢測到該磁場，當膠帶發(fā)生撕裂，發(fā)送器和接受器之前的耦合會受到干擾，從而發(fā)出撕裂警報信息[14]。我國研究學者童敏明等[15]將該方法應用于煤礦膠帶縱向撕裂的檢測，結(jié)果顯示檢測準確度極高，論證了該檢測方法的有效性。德國貝克礦山有限公司基于電磁感應檢測法已經(jīng)開發(fā)了第二代膠帶撕裂檢測系統(tǒng)[15]，在膠帶內(nèi)嵌入感應回路，安裝后，控制系統(tǒng)將檢測膠帶上的環(huán)，定義并為其編號，實時創(chuàng)建膠帶及環(huán)圖像，如遇膠帶撕裂導致環(huán)損壞，控制系統(tǒng)就能及時發(fā)出警報信息，有效避免膠帶撕裂帶來的損失。該系統(tǒng)的檢測準確性隨著單位帶長度的環(huán)路數(shù)量的增加而增加。在磁感回路損壞的情況下，可以臨時設(shè)置單個回路進行修復，且該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測近10個環(huán)路信息的狀態(tài)變化。可見通過電磁感應檢測法可以實現(xiàn)膠帶撕裂的實時監(jiān)測。但是，為了實現(xiàn)對膠帶上環(huán)路信息的有效監(jiān)測，導電環(huán)路必須非常大；為了獲得高的檢測準確性，回路數(shù)量又必須多，這大大增加了該方法的成本。

基于射頻識別技術(shù)(Radio frequency identification，RFID)的膠帶撕裂檢測方法是由Thomas Nicolay等[16]首次提出。射頻識別檢測系統(tǒng)主要由膠帶上有標簽的無源RFID電感線圈、發(fā)射機、接收機、耦合元件以及通信控制單元組成。發(fā)射機不斷地發(fā)射射頻信號，當帶有標簽的電感線圈通過發(fā)射機上端時，接受機會收到一個識別碼，與計算機中的標記序列相比較。如果膠帶撕裂，電磁感應環(huán)被破壞，測量的標簽序列與存儲的數(shù)據(jù)不再對應，將發(fā)出撕裂警報。國內(nèi)研究學者方崇全[17]針對神東柳塔煤礦的特殊工作環(huán)境，設(shè)計了一套基于無源RFID技術(shù)的膠帶撕裂檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有檢測準確度高、受惡劣環(huán)境影響小和無需標定等特點，實現(xiàn)了膠帶撕裂的實時檢測。劉士杰等[18]也報道了基于射頻識別技術(shù)的膠帶撕裂檢測應用研究，與前面報道的射頻檢測系統(tǒng)不同是，他們將電子標簽張貼于膠帶背面，而不是嵌入膠帶之中，大大減少了膠帶制造成本，但采用張貼的方式極易造成電子標簽的脫落，從而發(fā)出誤報警信號。Shuvashis Dey等[19]將射頻檢測技術(shù)與機器學習算法相結(jié)合來檢測和預測整個膠帶的磨損。仿真結(jié)果表明，該方法可以實現(xiàn)膠帶裂紋為0.5mm的高準確度檢測，并證明了RFID傳感器在實時檢測膠帶裂紋方向方面的有效性。

射頻檢測技術(shù)中無源RFID電感線圈相比于電磁感應檢測技術(shù)中感應回路要小很多，因此射頻技術(shù)中膠帶加工成本遠小于電磁感應檢測技術(shù)。電磁感應檢測技術(shù)開始運行時需要對感應回路進行標定，而射頻檢測技術(shù)中的電感線圈具有唯一地址，不需要標定處理，使用方便。此外，射頻檢測技術(shù)可以在惡劣的工作環(huán)境保持相對高的檢測準確性和穩(wěn)定性，而電磁感應技術(shù)檢測準確性受環(huán)境溫度影響較大。

2.4 基于機器視覺的撕裂檢測技術(shù)

機器視覺主要是通過模擬視覺，同時結(jié)合光電圖像傳感器、數(shù)字圖像處理、智能模式識別等技術(shù)，精準提取目標信息，并對其進行處理分析進而實現(xiàn)實時高效檢測和控制[20-22]?；跈C器視覺的撕裂檢測系統(tǒng)通常由照明光源、圖像探測器和控制單元組成，如圖3所示。照明光源是為了讓圖像探測器獲得清晰的膠帶成像信息，控制單元對獲得圖像進行處理分析。當膠帶撕裂，膠帶圖像有撕裂特征，通過圖像處理識別特征，實時發(fā)出撕裂警報信息[23-25]。

圖3 基于機器視覺的撕裂檢測系統(tǒng)

從基于機器視覺的撕裂檢測技術(shù)原理可以發(fā)現(xiàn)，該方法的識別準確率和速度取決于圖像處理算法。張晞等[26]提出了差影法圖像識別技術(shù)來檢測膠帶的撕裂，通過將當前圖像與固定背景圖像進行相減運算后，再進行圖像的分割、匹配和投影等處理獲取目標，需要注意的是，該方法是判斷膠帶撕裂口的落煤，來檢測膠帶的撕裂。劉偉力等[27]采用FAST角點檢測算法及基于Hough變換的直線檢測算法來檢測膠帶縱向撕裂現(xiàn)象，檢測準確率為96.24%。祁雋燕等[28]針對因工作光線暗采集圖像輪廓難提取問題，提出利用圖像去噪平滑、圖像增強和Roberts算子裂紋圖像分割，實現(xiàn)了膠帶撕裂的動態(tài)實時監(jiān)測。郭啟皇等[29]根據(jù)膠帶撕裂圖像的特點，設(shè)計了一種基于Otsu算法的膠帶縱向撕裂檢測系統(tǒng)，使用LabVIEW進行圖像處理、撕裂診斷、故障報警，為膠帶撕裂的在線快速檢測奠定了基礎(chǔ)。魏濤等[30]采用高亮光源使CCD相機獲得的圖像盡可能清晰，并提出利用數(shù)學形態(tài)學方法重構(gòu)裂紋的算法，實現(xiàn)了膠帶裂紋信息的準確提取。唐艷同等[31]對采集的膠帶圖像進行灰度轉(zhuǎn)換、濾波、均衡化和二值化后，通過計算撕裂像素個數(shù)占圖像總像素的比列來確定膠帶的撕裂情況。楊洋等[32]為了削弱因關(guān)照不均勻和噪聲對圖像處理的影響，先對圖像進行了Stevens灰度量轉(zhuǎn)換，然后利用改進的多尺度邊緣信息提取算法來識別膠帶的撕裂特征。張偉等[33]為了提高識別準確率，建立了膠帶圖像的組織特征映射網(wǎng)絡模型，采用圖像的梯度方向直方圖作為模型輸入量，對正常膠帶圖像和含有撕裂膠帶圖像進行分類，結(jié)果顯示該方法具有很高的撕裂識別準確率。馬可等[34]嘗試了利用蟻群算法的canny圖像檢測方法，結(jié)果表明有效提高了縱向撕裂的檢測效率。張夢超等[35]提出了一種基于深度學習的礦用膠帶損傷檢測方法，該方法能夠準確預測膠帶的損傷類型，其預測平均精度高達92.57%。王鐵軍[36]通過提取膠帶圖像中膠帶的長寬比來判定膠帶的撕裂信息，該方法有效解決了膠帶縱向撕裂圖像檢測和縱向撕裂故障識別的問題。張雪英等[37]提出多特征融合算法，將圖像的灰度信息和幾何特征進行融合后再組合決策判斷膠帶撕裂與否。

當膠帶的工作環(huán)境昏暗、潮濕和粉塵大時，采集的膠帶圖像模糊，導致利用圖像處理算法也很難識別出縱向撕裂?；诖?，研究學者研究了線激光輔助的膠帶撕裂檢測方法。王曉超等[38]使用線激光光源照射，利用CCD所獲得的膠帶下表面圖像中有一條高亮的細線，采用無線微分的思想，將極小范圍的曲線認為是直線分析，用Hough變換對細線及其系列進行檢測，當斜率產(chǎn)生驟變，表明膠帶可能有劃痕或撕裂現(xiàn)象，通過實驗測試，該方法具有較高的準確性。高錦洋[39]利用兩個線激光器使激光束在膠帶表面形成一條與其輪廓相匹配的線條。當膠帶撕裂時，通過圖像識別出激光線輪廓的變化判斷是否出現(xiàn)縱向撕裂。Guilherme G.Netto等[40]通過提取圖像中激光線的曲率信息，來表征膠帶表面的撕裂損傷，結(jié)果表明，該方法的識別準確率高達92%。為了進一步提高在惡劣工作環(huán)境的撕裂識別準確率，徐輝等[41]提出多線道激光的膠帶縱向撕裂檢測系統(tǒng)，通過分析線性光條畸變特征檢測膠帶縱向撕裂損傷，具有較高的檢測準確度。劉改葉等[42]提出了一種雙目視覺自適應定標方法，該方法能夠快速提取圖像特征角點，得到攝像機內(nèi)外參數(shù)及畸變參數(shù)，從而實現(xiàn)膠帶的縱向撕裂的高準確度檢測。

紅外熱成像技術(shù)是通過非接觸的方式將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)化為可見的熱圖像，膠帶發(fā)生撕裂的過程中，其溫度場和熱應力場必然會出變化，因此可以利用紅外熱成像探測器對膠帶的溫度分布進行動態(tài)監(jiān)測，進而達到監(jiān)測膠帶的縱向撕裂損傷。為了提高煤礦膠帶的安全性，朱劍鋒等[43]基于紅外監(jiān)測技術(shù)設(shè)計了撕裂事故在線檢測系統(tǒng)，并對其中的技術(shù)原理進行了研究，根據(jù)具體工況，設(shè)計了各個模塊。郭健等[44]為了提高基于紅外特征檢測撕裂故障的檢測準確度，提出了紅外圖像特征與改進高斯混合模型相結(jié)合的膠帶縱向撕裂檢測方法，其檢測正確率高達99%。韓斌等[45]通過紅外攝像機對膠帶圖像進行采集，根據(jù)連接處的檢測結(jié)果判斷膠帶的撕裂風險，結(jié)果表明，該方法的識別準確率高達99.19%。趙弼龍等[46]利用支持向量機對采集的膠帶縱向撕裂紅外圖像進行分割，通過計算撕裂像素點數(shù)目，檢測膠帶縱向撕裂或預測縱向撕裂趨勢的精度達到99.1%。徐善永等[47]針對煤碼頭復雜環(huán)境引起的檢測不準確問題，提出了基于序列最小最優(yōu)化算法(SOM)的膠帶撕裂紅外檢測方法，通過SOM算法構(gòu)建決策模型并對紅外圖像進行分割，能夠?qū)崿F(xiàn)膠帶撕裂的高精度識別，而且實時性好。

可見光相機在粉塵大、潮濕和光線暗的環(huán)境中很難采集到清晰的圖像。而紅外輻射能穿透灰塵和煙霧，可以有效解決可見光相機在暗環(huán)境下成像質(zhì)量不好的問題?；诖?，陳路路等[48]提出了一種基于紅外和可見光圖像融合的新型視覺傳感器，利用像素級融合方法將紅外CCD和可見光CCD采集的圖像進行融合，通過融合后的圖像來判斷撕裂信息，達到膠帶撕裂的高準確度檢測。

隨著計算機技術(shù)、成像技術(shù)的飛速發(fā)展，機器視覺在膠帶撕裂檢測領(lǐng)域的優(yōu)勢逐漸凸顯。但從上述的研究中可以發(fā)現(xiàn)，應針對檢測系統(tǒng)的工作環(huán)境，提出相應的圖像處理算法，達到提高識別準確度的目的。此外，改變檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使采集到的圖像包含豐富的撕裂信息和易于識別也是基于機器視覺的撕裂檢測技術(shù)的一個重要研究方向。

2.5 其他膠帶撕裂檢測技術(shù)

隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，研究學者也設(shè)計了很多新型膠帶撕裂檢測技術(shù)。徐如強等[49]提出一種基于載荷譜的膠帶縱向撕裂檢測方法，通過對電動機的功率信號實時分析，提取膠帶的撕裂阻力信息，從而判斷膠帶撕裂損傷。游春霞等[50]研究了振動檢測方法，通過在膠帶的一端增加激振信號，在另一端通過采集系統(tǒng)對信號進行采集，通過分析接收到的信號特征判斷膠帶的縱向撕裂。文藝等[51]報道了一種基于檢測光幕的在線監(jiān)測方法，利用光幕傳感器作為監(jiān)測傳感器，光幕發(fā)射管發(fā)射紅外線，當因膠帶撕裂漏料時，接受的數(shù)據(jù)就會發(fā)生變化，從而判斷膠帶是否撕裂，該方法應用在廣東沙角C火電廠的結(jié)果表明，膠帶撕裂檢測率達95%以上。樊平等[52]基于激光傳感器檢測設(shè)計了一種膠帶縱向撕裂檢測系統(tǒng)，在膠帶一邊安裝激光器，另一邊安裝激光接收器，當膠帶沒有撕裂時，接收器會接收到激光信號，當膠帶撕裂有煤料落下時，激光會被煤料擋住，接收器接收不到激光信號，從而發(fā)出撕裂報警。尹培坤等人[53]利用多組對射激光開關(guān)，實時監(jiān)測膠帶的帶寬變化，從而判斷膠帶的撕裂損傷。Pawel Trybala等[54]報道了利用激光掃描儀來重建膠帶的三維信息，提出利用云數(shù)據(jù)自動化處理成功識別了膠帶的撕裂損傷。Artur Skoczylas等[55]提出了一種基于聲信號的膠帶縱向撕裂檢測方法，并針對實際應用場景的干擾聲音信號，提出了相應濾波處理算法。謝進等[56]提出采用X射線掃描獲取膠帶圖像，對圖像進行智能分析，實現(xiàn)了膠帶內(nèi)鋼絲繩接頭抽動、斷頭的高準確度識別。苗長云等[57]通過分析膠帶運行時聲音的變化，來檢測膠帶的縱向撕裂情況，其平均檢測準確率高達91.5%，平均耗時2.85s，實現(xiàn)了膠帶撕裂的實時在線檢測。屈鼎然等[58]針對基于圖像或聲音的單信號膠帶縱向撕裂檢測方法受光線和噪聲影響較大的問題，提出了多尺度特征交叉融合檢測方法，通過將圖像和聲音信號進行融合，其檢測準確率高達97.37%。胡青果等[59]采用層次分析法對幾種檢測技術(shù)進行了比較，提出采用多種方法相結(jié)合有利于提高膠帶的縱向撕裂識別準確率。

3 總結(jié)與展望

本文綜述了膠帶縱向撕裂的檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀，根據(jù)其技術(shù)原理進行了概括分析?；跈C械的撕裂檢測方法、基于超聲波的撕裂檢測技術(shù)和基于電磁感應的撕裂檢測技術(shù)的研究較為成熟，已有公司基于其原理研發(fā)了撕裂檢測器。但這些方法都有限制其發(fā)展的缺點，如事后報警、識別準確度低和成本較高等。隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，基于機器視覺的撕裂檢測技術(shù)得到了廣泛的研究，但如何實現(xiàn)惡劣環(huán)境下圖像的實時高準確度識別是此類技術(shù)亟待解決的難題。

基于RFID的撕裂檢測技術(shù)具有實時檢測、成本低、識別準確率高和適應惡劣工作的環(huán)境的優(yōu)勢，但目前大多研究結(jié)果基于實驗平臺，應用于工程實際可能會面臨困難，因此緊密結(jié)合應用背景設(shè)計檢測系統(tǒng)是此類技術(shù)需要解決的問題。其他類型的撕裂檢測技術(shù)大多只是初步嘗試研究，其適用性和穩(wěn)定性需要進行大量的工程實驗。

目前，上述的大多撕裂檢測技術(shù)通過某一種撕裂特征來預測膠帶撕裂與否，因此其識別準確率和效率較低。如何利用膠帶的多種撕裂特征，并將多種膠帶撕裂檢測技術(shù)進行有效組合并加以改進，提高膠帶撕裂實時識別的準確率，是膠帶撕裂診斷技術(shù)值得研究的一個方向。