電廠輸煤皮帶運(yùn)行缺陷類型及智能檢測(cè)技術(shù)分析

蘇晉朔州煤矸石發(fā)電有限公司 楊 浩

電廠中的帶式輸送機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)滾筒、張緊滾筒、托輥以及皮帶等部分組成。其中，驅(qū)動(dòng)滾筒可以為皮帶提供足夠的運(yùn)行動(dòng)力，牽引皮帶朝著前方運(yùn)行；張緊滾筒可為皮帶提供充足的張力，使皮帶與驅(qū)動(dòng)滾筒間的摩擦力充足，保障二者可以同步運(yùn)行；托輥可支撐上下段皮帶工作，降低皮帶運(yùn)行期間的阻力；皮帶可有效傳遞牽引力，同時(shí)承載來自煤料的重量。

輸送機(jī)的工作原理具體如下：皮帶繞過不同的滾筒，最終形成完整的閉合結(jié)構(gòu)，支持不同滾筒的相互協(xié)作，保障輸煤皮帶能夠時(shí)刻處于緊繃的工作狀態(tài)。設(shè)備運(yùn)行期間，電機(jī)可以帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后驅(qū)動(dòng)滾筒與皮帶的摩擦力可以帶動(dòng)皮帶朝著前方運(yùn)行，基于托輥的作用皮帶沿著設(shè)備機(jī)架中心線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使煤料可以從進(jìn)料槽快速地運(yùn)輸?shù)叫读喜壑?。設(shè)備長(zhǎng)距離運(yùn)行過程中，皮帶需要負(fù)載幾噸以上的煤料，皮帶在傳遞牽引力的同時(shí)，還要帶動(dòng)煤料運(yùn)輸，所以輸煤皮帶的運(yùn)行安全性，將直接關(guān)系到輸送機(jī)的實(shí)際輸送能力。

1 電廠輸煤皮帶運(yùn)行缺陷類型分析

筆者在電廠輸煤皮帶運(yùn)行過程中進(jìn)行了故障檢測(cè)分析，從中發(fā)現(xiàn)了跑偏故障和打滑故障問題，為了更好地解決故障，需根據(jù)輸煤皮帶的缺陷類型完成故障處理。

1.1 跑偏故障

在觀察設(shè)備運(yùn)行時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)輸煤皮帶時(shí)常會(huì)出現(xiàn)輕微的跑偏現(xiàn)象，但是當(dāng)?shù)貏?shì)發(fā)生變化或輸送路徑出現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)彎時(shí)，皮帶會(huì)通過扭轉(zhuǎn)或偏移完成對(duì)煤料的順利輸送。因皮帶具有彈性，可克服適當(dāng)?shù)呐芷?，但是一旦皮帶扭轉(zhuǎn)角度或橫向偏離距離過大，皮帶的運(yùn)行將會(huì)遇到跑偏故障問題，如果不及時(shí)調(diào)整將會(huì)造成皮帶損毀或設(shè)備撒煤等問題。

跑偏故障問題的產(chǎn)生會(huì)影響皮帶的照常使用及電廠生產(chǎn)安全，分析輸煤皮帶跑偏故障的產(chǎn)生原因，一般包含以下幾點(diǎn)：一是皮帶歪斜。因安裝環(huán)節(jié)的誤差或運(yùn)行期間的劇烈振動(dòng)，或滾筒間距離過長(zhǎng)，導(dǎo)致皮帶與輸送機(jī)架之間的中心線偏差較大，從而引發(fā)故障問題；二是托輥歪斜。荷載較大造成托輥組的軸線和皮帶中心線無法垂直，在橫向偏移力的作用影響下，皮帶發(fā)生跑偏問題；三是機(jī)架歪斜。因輸送機(jī)的荷載偏大，機(jī)架在橫向位置存在高度差，使皮帶橫向無法水平。受重力的影響，皮帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)存在著從高向低一側(cè)的移動(dòng)，長(zhǎng)此以往發(fā)生跑偏故障問題。

根據(jù)故障問題的實(shí)際情況，本文對(duì)不同的跑偏形式加深研究。根據(jù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)規(guī)范，如果輸煤皮帶沿著帶寬的方向進(jìn)行偏移，偏移量超出帶寬的5%，此時(shí)就可以判定皮帶發(fā)生跑偏故障問題[1]。

1.2 打滑故障

除了跑偏故障，筆者在工作中也發(fā)現(xiàn)輸煤皮帶存在嚴(yán)重的滑動(dòng)現(xiàn)象，具體主要有彈性打滑與打滑兩種。由于皮帶屬于一種彈性體，運(yùn)行期間皮帶因受力而發(fā)生形變，皮帶彈性形變而造成的滑動(dòng)現(xiàn)象就叫做彈性滑動(dòng)，這種滑動(dòng)無法避免。只要彈性體間存在拉力差，滑動(dòng)現(xiàn)象就一定會(huì)存在。相比之下，打滑是因皮帶過載而出現(xiàn)的全面滑動(dòng)故障現(xiàn)象，這是機(jī)器傳動(dòng)失效的一種表現(xiàn)形式。如果滾筒和皮帶間速度差超過安全范圍，同時(shí)打滑現(xiàn)象持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，輸煤皮帶將會(huì)面臨著嚴(yán)重的打滑故障，甚至?xí)斐啥衙号c撒煤等問題。

輸煤皮帶的運(yùn)輸距離通常較長(zhǎng)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)皮帶運(yùn)行的全程監(jiān)控，做好啟動(dòng)與運(yùn)行、制動(dòng)時(shí)的打滑監(jiān)測(cè)，本文主要針對(duì)皮帶運(yùn)行環(huán)節(jié)進(jìn)行打滑分析。如圖1所示對(duì)皮帶的受力情況加以研究，靜止時(shí)滾筒上下端輸煤皮帶的受力是相等的，F(xiàn)0為初始值拉力情況，隨著設(shè)備的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)滾筒經(jīng)過摩擦力帶動(dòng)皮帶開始運(yùn)行，滾筒一側(cè)的皮帶拉力從F0轉(zhuǎn)為F1，從動(dòng)滾筒一側(cè)的皮帶拉力從F0轉(zhuǎn)為F2。

圖1 皮帶輸送機(jī)受力示意圖

造成輸煤皮帶打滑故障的原因大致為：皮帶預(yù)緊力F0過小，這與張緊滾筒調(diào)整與實(shí)際操作規(guī)范不相符有關(guān)，或皮帶松弛老化；包角減少，受地勢(shì)坡度的影響，皮帶運(yùn)輸處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)皮帶會(huì)緊貼托輥，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，在驅(qū)動(dòng)滾筒的牽引之下，上端皮帶與托輥發(fā)生脫離，造成包角減小，皮帶因此而打滑；摩擦系數(shù)減小，出現(xiàn)該問題與滾筒粘煤和皮帶更換不及時(shí)有關(guān)，皮帶難以與滾筒表面進(jìn)行充分的接觸，由于皮帶未更換，皮帶與滾筒表面的紋路逐漸被磨平[2]。

不管出于什么原因，打滑故障都是因皮帶受力不足而造成的，故障發(fā)生時(shí)皮帶無法與滾筒進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)，二者間產(chǎn)生偏大的速度差。當(dāng)速度滑差率≥8%的時(shí)候，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要予以報(bào)警警告，如果打滑現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間≥20s，有必要及時(shí)對(duì)設(shè)備停機(jī)警告。

2 電廠輸煤皮帶運(yùn)行狀態(tài)的智能檢測(cè)技術(shù)

2.1 智能視覺監(jiān)測(cè)方案

2.1.1 跑偏故障智能視覺監(jiān)測(cè)方案

為進(jìn)一步解決跑偏故障問題，筆者采用圖像增強(qiáng)的方法，對(duì)皮帶邊緣位置進(jìn)行檢測(cè)分析，再按照邊緣位置信息對(duì)當(dāng)前皮帶跑偏故障加以識(shí)別。確定提取皮帶的特征信息，以此作為皮帶位置的判斷依據(jù)，一般以顏色直方圖和紋理特征作為特征，其中顏色特征可以表示圖像全局顏色情況，這一特征不會(huì)受到目標(biāo)形狀與大小的影響。紋理特征可表示圖像灰度分布情況，該特征對(duì)光照的變化并不敏感。為了更好地完善監(jiān)測(cè)方案，筆者決定以皮帶邊緣輪廓直線特征為主，提高特征信息的抗干擾能力，采用直線段檢測(cè)算法，按照皮帶坐標(biāo)信息進(jìn)行跑偏故障的識(shí)別分析，科學(xué)設(shè)置故障判定規(guī)則。

經(jīng)過故障檢測(cè)分析，筆者采用GEJ30煤礦皮帶機(jī)綜保用跑偏傳感器，這是一種礦用設(shè)備，可作為帶式輸送機(jī)輸送帶跑偏檢測(cè)之用，具有體積小、重量輕、便于安裝的特點(diǎn)。傳感器安裝在皮帶兩邊的支架上，正常時(shí)皮帶不接觸跑偏探桿，傳感器的兩接線端子不接通。出現(xiàn)跑偏故障時(shí)，傳感器的兩接線端子接通，皮帶停車，關(guān)聯(lián)控制箱語音報(bào)警。

對(duì)于輸送皮帶因扭曲而造成的跑偏故障問題，在設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)下皮帶斜率為，皮帶角度偏移安全閾值為+3°。一旦皮帶的斜率超出安全閾值，說明當(dāng)前皮帶已經(jīng)發(fā)生跑偏故障問題。對(duì)于皮帶整體發(fā)生左右偏移而造成的故障問題，記錄皮帶寬度是W，正常偏移范圍處于5%W之內(nèi)，以該處為邊界，監(jiān)測(cè)皮帶邊緣與邊界的交集情況，判斷當(dāng)前皮帶是否發(fā)生故障問題。面對(duì)皮帶跑偏故障問題，應(yīng)及時(shí)安裝攝像設(shè)備，對(duì)皮帶運(yùn)行中的托輥展開實(shí)時(shí)圖像采集分析，后臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)攝像裝置捕捉實(shí)時(shí)圖像信息，將其與輸煤皮帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的圖像對(duì)比研究，當(dāng)皮帶運(yùn)行出現(xiàn)偏移問題時(shí)，系統(tǒng)捕捉到的圖像如果與正常圖像之間存在偏差，此時(shí)系統(tǒng)即可立即發(fā)出報(bào)警。

2.1.2 打滑故障智能視覺監(jiān)測(cè)方案

筆者采用目標(biāo)跟蹤算法對(duì)單場(chǎng)景與多場(chǎng)景下進(jìn)行跟蹤。在皮帶正上方位置設(shè)攝像機(jī)，使其向下俯視皮帶，跟蹤范圍縮小。為了降低計(jì)算量，先提取運(yùn)動(dòng)區(qū)域，檢測(cè)其中的角點(diǎn)特征，對(duì)其跟蹤分析。在皮帶圖像內(nèi)，攝像頭位置與背景畫面固定，采用ViBe算法提取運(yùn)動(dòng)區(qū)域，檢測(cè)其中的角點(diǎn)，再用光流法跟蹤角點(diǎn)。根據(jù)皮帶速度信息識(shí)別故障問題，要求皮帶滾筒間的速度差≤8%，可設(shè)置最大與最小閾值，以此用來判斷皮帶的打滑故障問題，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析當(dāng)前輸煤皮帶的運(yùn)行情況。

根據(jù)輸煤皮帶運(yùn)行中的缺陷類型，采用適應(yīng)的智能檢測(cè)技術(shù)，比如皮帶運(yùn)行出現(xiàn)異常噪聲或打滑故障，可根據(jù)噪聲的強(qiáng)弱來判別分析，在皮帶周圍安裝聲音采集器，采集設(shè)備運(yùn)行期間的聲音信號(hào)，將其與皮帶正常運(yùn)行環(huán)節(jié)的聲音頻譜進(jìn)行對(duì)比，一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將會(huì)立即報(bào)警處理。在系統(tǒng)中安裝激光發(fā)射器，使其能夠自覺照射皮帶，激光束會(huì)在輸煤皮帶的表面產(chǎn)生與皮帶表面相符合的輪廓線，攝像機(jī)對(duì)運(yùn)行期間的皮帶持續(xù)拍攝，再將最終的成像傳輸給系統(tǒng)主機(jī)，完成對(duì)劃傷、打滑等故障問題的識(shí)別與監(jiān)控，提出報(bào)警信號(hào)，處理攝像機(jī)拍攝的圖像。

2.2 基于長(zhǎng)距離軌道機(jī)器人自動(dòng)跟蹤技術(shù)

電廠安全生產(chǎn)過程中，輸煤皮帶的長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)百米，上下坡或阻礙物的存在會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人軌道安裝難度較大，軌道的牢固性、粉塵對(duì)軌道設(shè)備的可靠性存在影響，筆者根據(jù)不同場(chǎng)景掌握輸煤線的作業(yè)情況，防止設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)受到影響，隨后再根據(jù)軌道設(shè)計(jì)安裝的實(shí)際情況，明確長(zhǎng)軌道對(duì)供電的嚴(yán)格要求，選擇無線電源傳輸方式，防止危險(xiǎn)電源火花造成的火災(zāi)或爆炸等事故問題，避免智能檢測(cè)系統(tǒng)給輸煤線帶來風(fēng)險(xiǎn)隱患。

采用機(jī)器人視覺自動(dòng)跟蹤技術(shù)，筆者通過檢測(cè)的方式與匹配的方法，在軌道機(jī)器人上安裝紅外與高清攝像儀器，支持?jǐn)z像裝置360°的旋轉(zhuǎn)，以此完成對(duì)視覺的自動(dòng)跟蹤，按照現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境采用機(jī)器人視覺檢測(cè)技術(shù)，完成對(duì)圖像的高效處理，隨后再利用噴淋系統(tǒng)降低粉塵對(duì)鏡頭的不良影響，保障皮帶實(shí)時(shí)檢測(cè)效果。

2.3 多設(shè)備數(shù)據(jù)集成與皮帶自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

筆者在工作中觀察系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，利用智能化巡檢機(jī)器人，使其較好地代替人工，在電廠惡劣的環(huán)境下執(zhí)行獨(dú)立巡檢作業(yè)，合理選擇技術(shù)路線，解決人工巡檢的盲點(diǎn)問題，擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)行覆蓋范圍，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。憑借大數(shù)據(jù)與云計(jì)算等技術(shù)，依靠機(jī)器人和激光檢測(cè)技術(shù)，創(chuàng)建輸煤皮帶自動(dòng)化智能檢測(cè)平臺(tái)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全管理水平。

創(chuàng)建煤炭傳輸系統(tǒng)，筆者憑借該系統(tǒng)的運(yùn)行通常會(huì)涉及機(jī)器人、傳感器、攝像裝置與撕裂檢測(cè)裝置等設(shè)施。與此同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)還具備不同的模塊，比如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，聯(lián)合圖像分析模塊，通過對(duì)軟硬件設(shè)施的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互集成，通過對(duì)XML技術(shù)、數(shù)據(jù)庫底層、WebService等數(shù)據(jù)交互技術(shù)的應(yīng)用，完善系統(tǒng)建設(shè)。筆者選用OPC技術(shù)，聯(lián)合消息總線與文件傳輸技術(shù)，提高數(shù)據(jù)交互水平。智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為輸煤皮帶運(yùn)行的大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)提供了多維度原始數(shù)據(jù)，立足于多設(shè)備數(shù)據(jù)集成處理系統(tǒng)，提高智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備故障報(bào)警動(dòng)作的響應(yīng)效率，及時(shí)響應(yīng)報(bào)警問題，完成故障處理，盡可能地防止保護(hù)裝置出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象[3]。

創(chuàng)建輸煤皮帶運(yùn)行自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，筆者在設(shè)備檢測(cè)與運(yùn)行工作中及時(shí)發(fā)現(xiàn)了皮帶打滑與跑偏故障問題，隨后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警保護(hù)動(dòng)作，防止保護(hù)誤動(dòng)拒動(dòng)引發(fā)故障停運(yùn)問題，降低故障巡檢的工作強(qiáng)度，減少人員對(duì)粉塵的接觸時(shí)間，使輸煤皮帶智能檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。創(chuàng)建巡檢機(jī)器人平臺(tái)，利用撕裂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、編碼器、跑偏開關(guān)與溫度速度傳感器，將系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和圖像根據(jù)參數(shù)規(guī)則情況，科學(xué)計(jì)算檢測(cè)結(jié)果，使最終檢測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)可以顯示在屏幕中，隨后為操作人員提供遠(yuǎn)程操作按鈕，完成對(duì)異常數(shù)據(jù)的記錄，為接下來的大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)提供科學(xué)參考依據(jù)。