姜紹軍 王新剛 閆剛 董永智 郝付強(qiáng)

摘要：針對(duì)蠶莊金礦采用底卸式雙側(cè)掛鉤機(jī)械閉鎖出現(xiàn)的箕斗出曲軌后不能準(zhǔn)確復(fù)位、卡箕斗和導(dǎo)向輪松動(dòng)移位甚至脫落等故障，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成和主要功能等。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：該系統(tǒng)具有處理智能化、速度快、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了同類設(shè)備非接觸式實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)同類設(shè)備的安全生產(chǎn)有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推廣應(yīng)用前景較好。

關(guān)鍵詞：提升機(jī);箕斗;機(jī)械閉鎖裝置;智能化;掛鉤檢測(cè);機(jī)器視覺技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD679文章編號(hào)：1001-1277（2021）03-0052-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20210310

引言

箕斗提升運(yùn)輸具有作業(yè)效率高、提升量大等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外大中型礦山普遍采用的一種運(yùn)輸方式。箕斗在運(yùn)行過程中，需要掛鉤勾住箱體，確保箱體不會(huì)因罐道或滾輪罐耳的影響而發(fā)生偏擺，導(dǎo)致箱體內(nèi)物料傾泄井筒，從而發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。目前，行業(yè)內(nèi)尚無箕斗掛鉤嚙合可靠性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦（下稱“蠶莊金礦”）徐家疃礦區(qū)位于山東省招遠(yuǎn)市蠶莊鎮(zhèn)，明主井箕斗負(fù)擔(dān)將井下礦（廢）石提升至地面的任務(wù)。該提升系統(tǒng)選用JKM4.5×6ZⅢ型多繩摩擦提升機(jī)，提升高度為797.5m，單提升容積為24m 3，采用底卸式雙側(cè)掛鉤機(jī)械閉鎖箕斗，目前在用箕斗自2014年4月10日開始使用，已提升礦（廢）石量達(dá)119.65萬t。由于使用時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行中曾多次出現(xiàn)因落石或箕斗機(jī)械閉鎖裝置旋轉(zhuǎn)軸承磨損及箕斗箱體水平位移超標(biāo)導(dǎo)致的在出曲軌后不能準(zhǔn)確復(fù)位、卡箕斗與個(gè)別導(dǎo)向輪松動(dòng)移位甚至脫落等故障，給安全生產(chǎn)帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)內(nèi)已有多起底卸式箕斗因掛鉤閉鎖不嚴(yán)或失效導(dǎo)致礦石傾倒井筒，造成井筒裝備破壞嚴(yán)重，直接或間接損失巨大。因此，針對(duì)上述問題，蠶莊金礦開發(fā)了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)，取得了較好的應(yīng)用效果。

1箕斗閉鎖裝置故障原因分析

經(jīng)過工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)日常生產(chǎn)中，影響箕斗閉鎖機(jī)構(gòu)不到位的原因主要有以下幾種：

1）箕斗導(dǎo)向輪固定螺栓因銹蝕或撞擊導(dǎo)致導(dǎo)向輪變形或脫落。

2）箕斗底部托輪短曲軌處由于礦粉或礦石長(zhǎng)時(shí)間堆積，導(dǎo)致卸載完畢后不能按原路徑返回完成與掛鉤底板閉鎖的動(dòng)作。

3）箕斗閉鎖裝置導(dǎo)向輪磨損嚴(yán)重或軸承部位底盤變形使其旋轉(zhuǎn)不靈活，卸載完畢導(dǎo)向輪出曲軌后未能完成卸礦舌板與斗箱閉鎖。

4）箕斗掛鉤靜態(tài)部分掛孔有小塊礦石或結(jié)塊礦石進(jìn)入，使得掛鉤動(dòng)態(tài)部分導(dǎo)向輪出曲軌后，靜態(tài)動(dòng)態(tài)相結(jié)合時(shí)，配重輪重力不能將掛孔內(nèi)礦石碾碎或砸出，長(zhǎng)時(shí)間累積形成較硬塊狀。

5）箕斗斗箱頂部主軸作為斗箱卸礦或復(fù)位時(shí)的支撐點(diǎn)，由于潤(rùn)滑不到位或礦粉進(jìn)入，當(dāng)磨損量超標(biāo)時(shí)，亦會(huì)造成斗箱傾斜，致使舌板卸載完畢復(fù)位時(shí)難以準(zhǔn)確與掛鉤閉鎖。

上述隱患中，極易形成重大設(shè)備事故的是箕斗機(jī)械閉鎖裝置失效（出曲軌后掛鉤未能有效復(fù)位），掛鉤未能掛住箱體，如繼續(xù)高速下放，箕斗擋板可能隨時(shí)張開，造成斗箱傾斜，砸壞井筒內(nèi)電纜、風(fēng)水管路、鋼梁等;還可能在箕斗裝礦后高速提升時(shí)受力變形張開致使礦石掉落于井筒中，使尾繩損傷或斷裂。提升機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)過程中，箕斗將與井筒設(shè)施撞擊，提升機(jī)電控系統(tǒng)瞬間產(chǎn)生巨大電流，沖擊主電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，造成重大事故。除此之外，近年來隨著箕斗使用年限的迫近，與箕斗運(yùn)行相關(guān)的機(jī)械部分因磨損腐蝕等原因帶來的故障和影響生產(chǎn)效率的現(xiàn)象越來越多。由于這些事故在日常生產(chǎn)中具有突發(fā)性、隨機(jī)性，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)解決，將對(duì)安全生產(chǎn)造成不可估量的損失[1]。

為避免上述情況導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生，近年來各礦山企業(yè)陸續(xù)采用在相應(yīng)部位安裝光電開關(guān)、磁控開關(guān)、麥克風(fēng)，甚至采用攝像頭由專人觀察等對(duì)策，但由于誤差過大，惡劣環(huán)境影響，極易損壞，維護(hù)量過大和成因的不確定性，經(jīng)常導(dǎo)致漏判或誤判，效果不甚理想[2-3]。因此，亟需開發(fā)一種智能化、精度高、穩(wěn)定性好的提升機(jī)箕斗閉鎖裝置。

2提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)

結(jié)合當(dāng)下成熟的技術(shù)手段，創(chuàng)新性引入智能化裝備，開發(fā)了基于機(jī)器視覺技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)與提升機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)連接，替代人工完成對(duì)箕斗閉鎖裝置非接觸式在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即當(dāng)兩側(cè)掛鉤插入深度未達(dá)到容忍度或卡箕斗時(shí)立即報(bào)警（可接入安全回路）。該系統(tǒng)可同時(shí)間接分析箕斗在卸礦出曲軌后，導(dǎo)向輪、卸礦輪的運(yùn)行狀態(tài)及箕斗機(jī)械閉鎖裝置的旋轉(zhuǎn)軸承磨損程度和箕斗擋板上下轉(zhuǎn)軸與軸套的磨損程度（見圖1）。

2.1工作原理

機(jī)器視覺是一門涉及諸多領(lǐng)域的新興學(xué)科，涵蓋新興物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、圖像處理和模式識(shí)別等內(nèi)容[4]。它利用物理機(jī)器模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取有用信息，加以處理和理解，最后用于工程測(cè)量和控制。

傳統(tǒng)意義上的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)由照明光源、光學(xué)成像和圖片捕捉系統(tǒng)、圖像處理模塊、決策判斷系統(tǒng)及機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

由于蠶莊金礦箕斗卸礦后下放時(shí)，發(fā)生較大的抖動(dòng)和運(yùn)動(dòng)軌跡偏離、日夜環(huán)境光源發(fā)生急劇變化和箕斗機(jī)械閉鎖裝置本體水漬嚴(yán)重等諸多因素使得目前所有機(jī)器視覺算法失靈，調(diào)試過程中多次誤判、漏判。為此，發(fā)明了單相機(jī)分時(shí)多特征點(diǎn)復(fù)目匹配算法和自定義雙坐標(biāo)修光糾偏除水漬算法。此外，現(xiàn)場(chǎng)灑水、漏礦導(dǎo)致不足8h工業(yè)相機(jī)鏡頭表面污損過多，無法正常判斷。為防止漏礦、落石堵塞機(jī)械閉鎖靜態(tài)部分掛孔，研發(fā)了防塵機(jī)械臂和斗箱防護(hù)帽、溜礦槽，將上述4種結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合組成提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)速度快、信息量大、功能多，抗干擾能力強(qiáng)，不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、箕斗運(yùn)行速度、斗箱晃動(dòng)影響，與環(huán)境光源無關(guān)，與被檢測(cè)物體沾水、礦粉、泥沙無關(guān)。經(jīng)過近半年的投用，取得了預(yù)期效果。提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)工作流程為：

1）當(dāng)箕斗機(jī)械閉鎖裝置運(yùn)動(dòng)到接近拍攝視野中心時(shí)，傳感器向圖像采集控制部分發(fā)送信號(hào)（觸發(fā)脈沖）。

2）圖像采集控制部分根據(jù)控制程序，在指定區(qū)間分別向相機(jī)、光源照明系統(tǒng)和防塵機(jī)械臂發(fā)出啟動(dòng)脈沖。

3）其中一個(gè)啟動(dòng)脈沖使相機(jī)停止目前的掃描，打開曝光機(jī)構(gòu)或事先在程序中設(shè)定曝光時(shí)間，然后重新開始新一幀的掃描并輸出。

4）將采集的箕斗運(yùn)動(dòng)圖像存儲(chǔ)到工控機(jī)內(nèi)存中。

5）工控機(jī)程序?qū)D像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析和識(shí)別，并輸出監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.2系統(tǒng)組成

提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)主要由6個(gè)子系統(tǒng)組成：

1）數(shù)字圖像處理系統(tǒng)（專用算法軟件）。

2）光學(xué)成像與光源照明系統(tǒng)。

3）傳感器與數(shù)字視頻系統(tǒng)。

4）DSP自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

5）故障記錄與圖像保存查詢系統(tǒng)。

6）光纖傳導(dǎo)與PLC處理系統(tǒng)[5]。

2.3系統(tǒng)功能

提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)可在創(chuàng)建模型時(shí)采用2種新發(fā)明算法設(shè)定箕斗機(jī)械閉鎖裝置縫隙嚙合程度，利用工業(yè)相機(jī)獲得縫隙圖像，通過圖像處理，可快速準(zhǔn)確地提取縫隙尺寸，并由工控機(jī)輔助評(píng)判系統(tǒng)給出監(jiān)測(cè)結(jié)論;亦可設(shè)定允許斗箱發(fā)生水平位移幅度，在線監(jiān)測(cè)時(shí)，如有超標(biāo)，系統(tǒng)可通過軟件智能分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類故障并在機(jī)柜顯示屏與操作臺(tái)信息提示屏做出相應(yīng)提示，以方便操作人員進(jìn)行故障查詢和故障復(fù)位。

1）允許掛鉤掛好程度、水平位移程度均可設(shè)定。例如：4.0cm高度掛鉤允許1.5～2.0cm輕微未掛好，6.5cm寬度水平位移允許2.0～3.0cm輕微橫向位移。

2）創(chuàng)建模型一鍵式設(shè)定，簡(jiǎn)單易操作，現(xiàn)場(chǎng)人員可輕松掌握，且模型只需創(chuàng)建一次，完成一次操作后無論現(xiàn)場(chǎng)斷電或通訊故障，將故障復(fù)位后都可繼續(xù)投用，無需重新創(chuàng)建。

3）具備完整的“聲光+語音報(bào)警”及“故障分析與處理對(duì)策”體系，將故障分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，且伴隨相應(yīng)故障語音提示加聲光報(bào)警。①Ⅰ類故障有兩側(cè)掛鉤均未掛好、卡箕斗等，屬重故障，需立即實(shí)施安全制動(dòng)，發(fā)生后卷揚(yáng)機(jī)工需立即停車，停車后相關(guān)人員可按觸摸屏常見故障分析及處理對(duì)策進(jìn)行檢查與維修（見圖2）。②Ⅱ類故障有單側(cè)掛鉤未掛好等，屬較重故障，若無連續(xù)發(fā)生則允許本次提升完畢后停車檢查。③Ⅲ類故障有箕斗位移，屬輕故障，若連續(xù)發(fā)生則本班人員可按故障提示單元處理對(duì)策留意觀察。

各類故障均可選擇性投入卷揚(yáng)機(jī)安全回路。例如：Ⅰ類故障自動(dòng)停車;Ⅱ類、Ⅲ類僅提示，不參與停車。

歷史報(bào)警記錄最多可追溯100d，記錄歷史報(bào)警的年/月/日/時(shí)/分/秒，以及故障類型、內(nèi)容，并將箕斗掛鉤報(bào)警時(shí)的形態(tài)以圖片形式存儲(chǔ)至硬盤，以便查詢?，F(xiàn)場(chǎng)具備外網(wǎng)或WIFI前提下，在手機(jī)端下載云APP，可隨時(shí)隨地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、查看歷史故障記錄等。適配光電傳感器在相應(yīng)位置監(jiān)測(cè)提升機(jī)是否在卸礦后下放中卡箕斗。

2.4系統(tǒng)應(yīng)用

基于機(jī)器視覺技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)自2020年5月投用至今，共捕捉到箕斗兩側(cè)掛鉤均未能復(fù)位6次，單側(cè)掛鉤未能復(fù)位25次，箕斗箱體水平位移超標(biāo)數(shù)百次，分析出導(dǎo)向輪松動(dòng)故障3次，單只脫落故障1次，準(zhǔn)確率100%。

基于機(jī)器視覺技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)的成功研發(fā)投用實(shí)現(xiàn)了同類設(shè)備非接觸式實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，在避免重特大設(shè)備事故發(fā)生的同時(shí)也為應(yīng)急搶修和日常檢修計(jì)劃的制定提供了有針對(duì)性的可靠依據(jù)。

該裝置不僅能夠準(zhǔn)確地分辨出箕斗掛鉤狀態(tài)，還能監(jiān)測(cè)到箕斗導(dǎo)向輪進(jìn)入曲軌的狀態(tài)，同時(shí)也能對(duì)箕斗底板密封漏料情況進(jìn)行觀察，及時(shí)掌握箕斗底板密封情況，便于合理安排檢修時(shí)間。

3結(jié)語

基于機(jī)器視覺技術(shù)的提升機(jī)箕斗機(jī)械閉鎖裝置智能分析系統(tǒng)，由于其處理智能化、速度快、精度高、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為在礦山提升系統(tǒng)中應(yīng)用的最佳選擇，對(duì)同類設(shè)備的安全生產(chǎn)有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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Abstract：Inviewofthefailurethattheskipcannotbeaccuratelyresetaftergettingoutofthecurvedrail，andthattheskipandtheguidewheelloosensupandshiftsorevenfalloff，whenthebottomunloadingdoublehookmechanicallockingskipisadoptedinCanzhuangGoldMine，anintelligentanalysissystemformechanicallockingdeviceofhoistskipbasedonmachinevisiontechnologyisdesigned.Theworkingprinciple，compositionandmainfunctionsofthesystemareintroducedindetail.Thefieldapplicationshowsthatthesystemhastheadvantagesofintelligentprocessing，highspeed，highprecisionandgoodstability，andrealizesnoncontactrealtimeonlinemonitoringofsimilarequipment，whichisofgreatpracticalsignificancetothesafeproductionofsimilarequipment.Thesystemtakesintoaccountbotheconomicandsocialbenefits，andhasabroadprospectofpromotionandapplication.

Keywords：hoist;skip;mechanicallockingdevice;intellectualization;hookdetection;machinevisiontechnology