韓中杰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同家梁礦機(jī)運(yùn)三區(qū)， 山西 大同 037025）

引言

在煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，帶式輸送機(jī)是煤礦最理想的高效物料輸送設(shè)備，當(dāng)前帶式輸送機(jī)承擔(dān)著煤礦井下80%以上的輸送任務(wù)，主要是廣泛應(yīng)用在開(kāi)采區(qū)、傾斜井、平巷、選煤廠等場(chǎng)合[1]。近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采量的逐年增加，帶式輸送機(jī)工作強(qiáng)度較大，托輥是支撐帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，也是帶式輸送機(jī)的核心部件，數(shù)量較多，尤其是在長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)中托輥的數(shù)量相當(dāng)龐大。托輥是帶式輸送機(jī)的承載力學(xué)部件，承受物料對(duì)托輥的斜側(cè)作用力，受力比較復(fù)雜，本身屬于易壞件，在實(shí)際進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程中托輥非常容易發(fā)生故障，最終導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行故障，影響煤礦的生產(chǎn)，甚至有可能引發(fā)安全事故[2-3]。

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，帶式輸送機(jī)托輥運(yùn)行異常將有可能引起重大安全事故。對(duì)于帶式輸送機(jī)托輥異常運(yùn)轉(zhuǎn)，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)托輥故障并進(jìn)行更換，將會(huì)導(dǎo)致帶式輸送機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，局部高溫，降低物料運(yùn)輸工作效率，增加后期的維護(hù)費(fèi)用。為此，托輥是目前煤礦維護(hù)人員重點(diǎn)巡檢的對(duì)象，但是由于受到工人自身經(jīng)驗(yàn)和對(duì)工作態(tài)度因素的影響，在實(shí)際進(jìn)行巡檢過(guò)程中往往伴隨著漏檢和誤判等情況，最終導(dǎo)致托輥異常不能得到及時(shí)的解決。

為此，對(duì)帶式輸送機(jī)托輥進(jìn)行異常檢測(cè)對(duì)于避免事故、保證煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要的意義。本文通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)托輥常見(jiàn)故障和異常產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，提出了一種帶式輸送機(jī)托輥異常檢測(cè)方法，通過(guò)采集帶式輸送機(jī)托輥的多種參數(shù)信息獲取到異常信號(hào)，從而準(zhǔn)確識(shí)別判斷異常原因，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，為維修更換提供指導(dǎo)。

1 帶式輸送機(jī)托輥常見(jiàn)異常類(lèi)型分析

托輥是帶式輸送機(jī)最重要的承載構(gòu)件，由于煤礦井下環(huán)境較為惡劣，托輥在頻繁的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中非常容易受到環(huán)境的影響，自身旋轉(zhuǎn)性能會(huì)發(fā)生異常，從而發(fā)生自身結(jié)構(gòu)故障和轉(zhuǎn)動(dòng)異常。當(dāng)托輥轉(zhuǎn)動(dòng)停止后，重載輸送帶將會(huì)直接摩擦托輥表面，從而造成局部高溫和過(guò)熱，對(duì)托輥內(nèi)部和重載皮帶造成熱傳遞，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)容易造成托輥支撐座發(fā)生變形，甚至?xí)济悍墼斐苫馂?zāi)。為此，需要從托輥?zhàn)陨斫嵌瘸霭l(fā)，研究托輥產(chǎn)生異常的主要原因，從而提出診斷異常的方法。如圖1 所示為礦用帶式輸送機(jī)托輥局部示意圖。

圖1 帶式輸送機(jī)托輥結(jié)構(gòu)組成圖

如圖1 所示，帶式輸送機(jī)托輥主要由軸蓋、彈性擋圈、密封圈、軸承、隔離環(huán)、軸承座、中心軸等部分組成，托輥受到重載膠帶和膠帶上物料的雙重作用，會(huì)導(dǎo)致托輥的中心軸和外部彈性擋圈承受較重的載荷，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中非常容易發(fā)生疲勞損壞。此外，托輥處于皮帶下方，受到粉塵、煤粉以及水分等雜質(zhì)的影響，有可能導(dǎo)致托輥運(yùn)轉(zhuǎn)異常，引發(fā)軸承失效。

對(duì)于帶式輸送機(jī)托輥而言，托輥常見(jiàn)的異常情況主要有托輥外筒嚴(yán)重磨損、托輥外筒表面裂縫、軸承失效、托輥彎曲變形這幾類(lèi)，其中軸承的失效將會(huì)導(dǎo)致托輥的停轉(zhuǎn)。當(dāng)托輥發(fā)生異常時(shí)，表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)，比如托輥局部高溫發(fā)熱、托輥振動(dòng)聲音異常、托輥抖動(dòng)異常、與托輥接觸的皮帶摩擦嚴(yán)重等，托輥局部高溫將會(huì)導(dǎo)致膠帶與托輥之間的摩擦產(chǎn)生不同的音色信號(hào)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致局部的高溫發(fā)熱。為此，可以通過(guò)托輥異常聲響判斷托輥的故障，同時(shí)輔助使用溫度傳感器檢測(cè)溫度信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障檢測(cè)和定位，由于長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)托輥數(shù)量較多，在實(shí)際進(jìn)行物料輸送的過(guò)程中某個(gè)托輥發(fā)生故障比較難判斷，為此需要保證在帶式輸送機(jī)運(yùn)行的全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，也可以通過(guò)采集托輥的聲音音頻信號(hào)進(jìn)行分析得出托輥不同的故障類(lèi)型。

2 基于聲響信號(hào)的托輥異常檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

由于帶式輸送機(jī)布置較長(zhǎng)，達(dá)到幾十公里甚至幾百公里，托輥數(shù)量較多，加上長(zhǎng)時(shí)間不進(jìn)行維護(hù)將會(huì)導(dǎo)致托輥潤(rùn)滑不及時(shí)最終引起軸承失效，軸承失效后將會(huì)產(chǎn)生不一樣的音頻信號(hào)，如圖2 所示為本次設(shè)計(jì)的用于采集托輥聲音信號(hào)同時(shí)進(jìn)行分析處理過(guò)程的全系統(tǒng)原理圖。

圖2 托輥聲響異常檢測(cè)診斷系統(tǒng)原理圖

主要由數(shù)據(jù)采集模塊、故障診斷模塊兩部分組成，數(shù)據(jù)采集模塊是由拾音器和音頻信號(hào)采集儀組成，通過(guò)在靠近托輥位置處布置傳感器，將托輥的異常聲響及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)對(duì)異常聲響進(jìn)行讀取，隨后通過(guò)利用濾波器對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，并與正常運(yùn)轉(zhuǎn)聲響區(qū)間進(jìn)行比對(duì)，最終得出是否出現(xiàn)異常且確定異常托輥的位置。

3 托輥異常檢測(cè)系統(tǒng)硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)

當(dāng)托輥的滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到外部重載的作用會(huì)導(dǎo)致托輥軸承受載荷較大，將會(huì)導(dǎo)致在接觸位置處產(chǎn)生周期性振動(dòng)，其振動(dòng)頻率會(huì)因不同的故障類(lèi)型有所不同，比如當(dāng)軸承外部滾筒中間開(kāi)裂時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)主要來(lái)自于軸承外部振動(dòng)噪聲，同時(shí)會(huì)有嚴(yán)重的磨損。托輥異常檢測(cè)系統(tǒng)首先采集托輥異常聲響，隨后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析和處理，辨識(shí)不同的頻率對(duì)比分析，最后對(duì)托輥故障作出合理的判斷和預(yù)警。如圖3 所示為托輥異常檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成。

圖3 托輥異常檢測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)原理圖

托輥異常檢測(cè)系統(tǒng)主要由噪聲檢測(cè)傳感器、聲電轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)、控制器和上位機(jī)等部分組成。通過(guò)全方位采集托輥的聲音信號(hào)利用中間處理電路將聲音物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，對(duì)于復(fù)雜工況下采集到的檢測(cè)信號(hào)中包含有環(huán)境噪聲成分，這些噪聲大多是由于周?chē)陌自肼曇约捌渌麢C(jī)械零部件噪聲的干擾，通過(guò)控制器中嵌入的小波去噪模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波，提取出有用信號(hào)與實(shí)際正常狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)設(shè)定值確定落在不同區(qū)間內(nèi)的異常原因，并得出最終的異常診斷結(jié)果。

3.2 軟件監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于軟件監(jiān)控系統(tǒng)，采用Labview2019 程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用算法開(kāi)發(fā)出帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)模型，并且設(shè)計(jì)了帶式輸送機(jī)托輥異常檢測(cè)系統(tǒng)界面。Labview 由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研發(fā)，利用圖形化編輯語(yǔ)言編寫(xiě)程序，相比于傳統(tǒng)的C 語(yǔ)言而言，這款軟件需要輸入的代碼量較少，整體結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，通過(guò)搭建各個(gè)模塊的相互聯(lián)系，對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)托輥故障的異常檢測(cè)和報(bào)警。如圖4 所示為用Labview2019 設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)VI界面。

圖4 軟件監(jiān)控系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行多次判斷，對(duì)所有常見(jiàn)的異常狀況全部進(jìn)行篩選，對(duì)于某些特殊運(yùn)行工況，準(zhǔn)確識(shí)別并輸出托輥異常位置點(diǎn)，便于進(jìn)行準(zhǔn)確維修和排除故障。對(duì)異常托輥?zhàn)R別后會(huì)在上位機(jī)中清晰顯示異常托輥的準(zhǔn)確位置，托輥?zhàn)钣锌赡艿墓收项?lèi)型，并對(duì)上位機(jī)監(jiān)控人員發(fā)出警告，要求進(jìn)行及時(shí)維修。通過(guò)對(duì)帶式輸送機(jī)不同區(qū)進(jìn)行編號(hào)，對(duì)所有的托輥分段編號(hào)，當(dāng)某個(gè)托輥出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)在上位機(jī)中會(huì)及時(shí)反饋，從而有效避免托輥出現(xiàn)問(wèn)題后長(zhǎng)時(shí)間得不到維修的問(wèn)題。界面主要由四大模塊組成，包括帶式輸送機(jī)的運(yùn)行檢測(cè)模塊、1—6 號(hào)段的托輥運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊、狀態(tài)顯示模塊和異常歷史記錄模塊，在托輥運(yùn)行狀態(tài)后方設(shè)定有一個(gè)布爾燈，可以顯示托輥的運(yùn)行狀態(tài)，便于隨時(shí)進(jìn)行查看。在右下方是異常狀況歷史記錄，主要是用于記錄在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中托輥出現(xiàn)的故障信息，比如故障托輥的位置，托輥異常發(fā)生的時(shí)間，托輥的處理時(shí)間，托輥在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障的時(shí)間等，并且可以一鍵導(dǎo)出成Excel 表格，便于進(jìn)行集中上報(bào)。

4 應(yīng)用效果分析

將本次提出的托輥故障檢測(cè)方案在某煤礦實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：本次提出的基于聲音信號(hào)的帶式輸送機(jī)托輥異常檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)所有托輥組異常運(yùn)行進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別，并能夠準(zhǔn)確在上位機(jī)中顯示，相比于傳統(tǒng)的托輥故障檢測(cè)而言，采用本套檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測(cè)和對(duì)故障托輥的定位，識(shí)別精度達(dá)到98.6%，誤報(bào)率為1.4%，從而有效避免因托輥運(yùn)行異常導(dǎo)致的局部高溫、甚至由高溫引起的煤礦事故等，有利于保證煤礦的高效安全生產(chǎn)和運(yùn)輸，對(duì)于節(jié)省企業(yè)生產(chǎn)成本，降低企業(yè)的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)具有重要的作用和意義。