張澤宇

（永貴能源開發(fā)有限責(zé)任公司新田煤礦，貴州 黔西 551500）

煤礦帶式輸送機(jī)的故障診斷是各煤礦企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問題，如何監(jiān)控煤礦帶式輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，診斷預(yù)警煤礦帶式輸送機(jī)的故障成為煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵。在煤礦生產(chǎn)設(shè)備科技和復(fù)雜程度不斷提高的同時(shí)，各煤礦企業(yè)也在不斷加強(qiáng)對自動(dòng)化設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測和自動(dòng)故障診斷，以便提高設(shè)備的可靠性。目前設(shè)備的故障診斷技術(shù)發(fā)展迅猛，不斷利用多樣的先進(jìn)技術(shù)，向著更智能和更高效的方向發(fā)展。

1 煤礦帶式輸送機(jī)故障診斷特點(diǎn)

煤礦帶式輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)中輸送煤礦物料的不可或缺的專業(yè)設(shè)備，一般安放在井下巷道和地上轉(zhuǎn)運(yùn)場地，還有就是安裝在井下采煤區(qū)的破路。由于煤礦帶式輸送機(jī)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，煤礦帶式輸送機(jī)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜惡劣的工作場所。一般情況下，煤礦帶式輸送機(jī)的輸送距離遠(yuǎn)，工作時(shí)間長，工作現(xiàn)場灰塵污染嚴(yán)重，使用的工作環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，煤礦帶式輸送機(jī)的故障多種多樣。煤礦帶式輸送機(jī)的大類故障主要?dú)w納為皮帶斷裂、皮帶縱撕、皮帶打滑、撒料、皮帶跑偏、物料堆積等，這些常見的故障均可以通過監(jiān)測和智能化手段進(jìn)行診斷。

煤礦帶式輸送機(jī)的診斷方式，一般是通過多種傳感器等裝置監(jiān)測和手機(jī)皮帶機(jī)運(yùn)行過程中的電壓、皮帶張緊力、振動(dòng)、運(yùn)行噪聲、速度和溫度等參數(shù)，并將這些信息傳輸至專家數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析對比，從而對皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷和預(yù)警。國內(nèi)外對煤礦帶式輸送機(jī)故障診斷的研究取得很大的進(jìn)展，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)?？偨Y(jié)歸納了常見故障發(fā)生的特征和機(jī)理，積累了大量的故障判斷方法和經(jīng)驗(yàn)公式，并對傳統(tǒng)的故障診斷方式進(jìn)行革新，建立故障診斷數(shù)據(jù)分析模型和算法基礎(chǔ)，并反向促使監(jiān)測手段設(shè)備的升級革新，和診斷數(shù)據(jù)分析模型的更新，推進(jìn)故障診斷的水平提高。目前煤礦帶式輸送機(jī)故障診斷的研究方向是利用大數(shù)據(jù)、模糊學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新型數(shù)據(jù)處理算法，建立故障診斷模型，創(chuàng)建智能化的診斷系統(tǒng)，形成高效便捷的故障診斷專家系統(tǒng)。

煤礦帶式輸送機(jī)故障診斷有著獨(dú)特的專業(yè)特點(diǎn)，煤礦帶式輸送機(jī)的傳輸距離一般都很遠(yuǎn)，這就要求一定數(shù)量的監(jiān)測設(shè)備，故障的發(fā)生也和傳輸距離有著一定的關(guān)系。煤礦帶式輸送機(jī)的使用環(huán)境一般比較惡劣，灰塵污染較大、光線不足、煤礦作業(yè)噪聲大，這些都是影響監(jiān)測設(shè)備工作的主要因素，導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備性能降低、出現(xiàn)信息收集誤差、誤報(bào)等情況。目前故障診斷依然以專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷為主要依據(jù)，人為因素的差異會(huì)導(dǎo)致判斷的結(jié)果不同。以先進(jìn)精密的監(jiān)測設(shè)備精準(zhǔn)收集狀態(tài)信息，結(jié)合不斷改進(jìn)的算法和判斷模型，創(chuàng)建不斷學(xué)習(xí)改進(jìn)的專家系統(tǒng)，是煤礦帶式輸送機(jī)故障診斷的研究方向。

2 煤礦帶式輸送機(jī)的故障機(jī)理

煤礦帶式輸送機(jī)種類多樣，使用場合也不盡相同。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集多種功能于一體，但其主要的結(jié)構(gòu)具有一致性。我們可以對煤礦帶式輸送機(jī)常見的故障機(jī)理進(jìn)行研究分析，研究故障診斷算法，并建立診斷模型。

2.1 皮帶撕裂

皮帶機(jī)長距離運(yùn)輸時(shí)，對皮帶的強(qiáng)度要求很高，皮帶縱向撕裂是長距離輸送時(shí)常見故障。長距離輸送煤礦帶式輸送機(jī)通常加大皮帶內(nèi)部的鋼繩芯來提高皮帶的強(qiáng)度，但當(dāng)物料重量、摩擦力等造成皮帶長度方向的斷裂強(qiáng)度超過皮帶本身強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)皮帶撕裂故障。皮帶撕裂故障一般都是因?yàn)槠Э估瓘?qiáng)度降低造成的，比如，物料輸送過程中尖銳物體刺穿皮帶，尖銳物料粘在滾筒上造成皮帶在滾筒處刺穿割傷，在皮帶張力的作用下，造成皮帶縱向撕裂。皮帶運(yùn)行時(shí)的擺動(dòng)會(huì)使皮帶與托輥不斷的刮碰，也會(huì)造成皮帶的損傷，進(jìn)而撕裂。

煤礦帶式輸送機(jī)皮帶撕裂的監(jiān)控診斷手段是在皮帶機(jī)的兩側(cè)安裝監(jiān)測傳感器，監(jiān)測皮帶機(jī)異常的縱向的應(yīng)力變化，判斷皮帶機(jī)縱向狀態(tài)，進(jìn)而可以進(jìn)行預(yù)警和判斷。皮帶撕裂時(shí)在皮帶局部會(huì)出現(xiàn)壓力的劇烈波動(dòng)，先是垂直于皮帶方向異常增大，然后又大幅減小，此時(shí)皮帶的張力會(huì)異常增大。因此，可以將皮帶規(guī)律性的壓力、張力變化信號，建立數(shù)據(jù)判斷模型，通過將監(jiān)測到的信號與數(shù)據(jù)模型對比，作為皮帶撕裂的判斷依據(jù)。但由于皮帶本身的特性，皮帶縱向應(yīng)力監(jiān)測困難，故，一般多是在托輥上布置監(jiān)測傳感器，通過監(jiān)測托輥上受到的壓力變化，間接推斷皮帶的應(yīng)力變化。

2.2 皮帶打滑

皮帶機(jī)打滑故障會(huì)導(dǎo)致皮帶局部磨損嚴(yán)重，皮帶強(qiáng)度降低斷裂，皮帶摩擦后溫度升高引發(fā)火災(zāi)，而且容易出現(xiàn)飛車事故。皮帶打滑的特征是皮帶的運(yùn)行速度與滾筒的線速度不一致，兩者產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生皮帶機(jī)的運(yùn)輸動(dòng)力不足。皮帶打滑的原因主要是張緊裝置失效，張緊力不足，無法給皮帶提供足夠的摩擦動(dòng)力。皮帶表面積水和沾有油污會(huì)造成皮帶與主動(dòng)滾筒之間的摩擦系數(shù)降低，也會(huì)導(dǎo)致皮帶的運(yùn)行動(dòng)力不足而打滑。皮帶表層有防滑層，若皮帶磨損嚴(yán)重，防滑層被破壞也會(huì)導(dǎo)致摩擦動(dòng)力不足。

另外，皮帶運(yùn)行是由底部兩側(cè)的托輥上進(jìn)行，當(dāng)物料過重時(shí)，或者托輥軸承故障失效，托輥偏磨導(dǎo)致托輥工作異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致皮帶的運(yùn)行阻力增大，超出驅(qū)動(dòng)滾筒提供的動(dòng)力時(shí)，皮帶就會(huì)打滑，所以托輥的工作狀態(tài)也會(huì)直接影響皮帶的打滑。皮帶的跑偏也會(huì)造成皮帶阻力增大，啟動(dòng)過快會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)滾筒瞬間摩擦系數(shù)較小，摩擦動(dòng)力不足，進(jìn)而導(dǎo)致皮帶打滑。

皮帶打滑根據(jù)階段可分為運(yùn)行打滑和啟動(dòng)打滑。啟動(dòng)打滑是啟動(dòng)瞬時(shí)速度過快，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)滾筒的瞬時(shí)線速度與皮帶瞬時(shí)速度相差過大，超出額定速度的設(shè)定范圍，出現(xiàn)動(dòng)力不足而皮帶打滑。運(yùn)行打滑屬于皮帶工作過程中出現(xiàn)異常打滑，打滑時(shí)皮帶速度與設(shè)定速度會(huì)出現(xiàn)較大差別。皮帶打滑故障的監(jiān)測，一般都是皮帶側(cè)面設(shè)置速度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測皮帶的瞬時(shí)速度，通過監(jiān)測皮帶速度的瞬時(shí)異常波動(dòng)，并與皮帶打滑時(shí)的速度特征曲線對比匹配，來診斷異常的皮帶打滑故障。

打滑時(shí)膠帶的線速度將降低，被動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速將因此降低或停止，所以通過被動(dòng)輪(轉(zhuǎn)向滾筒)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)速的差來判 斷帶式輸送機(jī)是否產(chǎn)生了打滑。然而膠帶的力學(xué)系 統(tǒng)是一個(gè)黏彈性系統(tǒng)，在載荷、啟動(dòng)、制動(dòng)過程中，兩者之間存在明顯的非線性關(guān)系和大的干擾，給打滑測量判斷帶來困難。

2.3 皮帶跑偏

皮帶跑偏是指皮帶運(yùn)行方向與皮帶機(jī)的縱向中心出現(xiàn)偏離的故障，皮帶橫向出現(xiàn)了擺動(dòng)現(xiàn)象。皮帶跑偏故障會(huì)導(dǎo)致物料的掉落，皮帶邊緣破損。皮帶跑偏主要是安裝誤差造成。煤礦長距離皮帶機(jī)的安裝，對機(jī)架的軸向直線度的要求很高，也是很大的挑戰(zhàn)，一般很難做到較高的精度。在機(jī)架和滾筒的軸向直線度精度不滿足使用要求時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)皮帶運(yùn)行中心線的不一致。另外機(jī)架受力變形、滾筒和托輥表面偏磨，會(huì)對皮帶產(chǎn)生一個(gè)橫向偏離作用力，導(dǎo)致皮帶偏離。卸料和轉(zhuǎn)運(yùn)部位皮帶受到?jīng)_擊力會(huì)使皮帶偏離方向，也是跑偏的一個(gè)原因。綜上分析，皮帶跑偏的理論原因是由于皮帶所受的合力方向與皮帶運(yùn)行方向的中心線出現(xiàn)偏差，我們只要監(jiān)測皮帶受力方向就可以判斷是否跑偏，但我們無法直接監(jiān)測皮帶受力情況，一般都是在兩側(cè)托輥上布置應(yīng)力傳感器，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測兩側(cè)托輥受力方向的情況，就可以判定皮帶是否跑偏。比如，一側(cè)托輥承受的橫向壓力出現(xiàn)較大波動(dòng)，并大于另一側(cè)的壓力，就可以判斷皮帶所受合力方向出現(xiàn)一側(cè)偏差，進(jìn)而判定皮帶出現(xiàn)跑偏故障。

假設(shè)皮帶正常運(yùn)行時(shí)的整體剛度系數(shù)為K，托輥兩側(cè)的受力和值以及皮帶的偏移量計(jì)算公式為：

依據(jù)以上偏移量計(jì)算公式建立診斷模型，輸入數(shù)據(jù)庫，形成專家系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)值超出數(shù)據(jù)閥值，就可智能化診斷出皮帶跑偏的故障。

2.4 皮帶斷裂

隨著煤礦帶式輸送機(jī)的使用，皮帶的老化、磨損以及異常損壞，導(dǎo)致皮帶抗拉強(qiáng)度的降低，進(jìn)而出現(xiàn)異常斷裂。皮帶斷裂故障會(huì)引起飛車等安全事故，屬于非常嚴(yán)重的故障，是煤礦企業(yè)極力設(shè)法避免的問題。皮帶斷裂的原因很多，主要可以歸納如下。

一是最主要的原因就是皮帶的老化。皮帶強(qiáng)度最低的部位是硫化接頭部位，長時(shí)間的運(yùn)行以及接頭的自然老化，會(huì)造成膠皮的抗拉強(qiáng)度降低，當(dāng)運(yùn)行重物產(chǎn)生的應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)造成皮帶斷裂。

二是皮帶的異常的破損，比如物料尖銳部位對皮帶產(chǎn)生沖擊造成刺穿，皮帶受損造成斷裂故障，多發(fā)生在物料轉(zhuǎn)運(yùn)和卸料部位，物料掉落沖擊造成破壞。

三是皮帶本身的材質(zhì)質(zhì)量及特性不滿足使用場合，使用場合溫度較低時(shí)，皮帶會(huì)變硬脆，抗拉強(qiáng)度大幅度降低。

四是煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行中超載，皮帶超負(fù)荷，超出抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生斷裂。

診斷皮帶斷裂的方法是采用帶長與應(yīng)力比例曲線法。通過傳感器監(jiān)測皮帶的長度變化和應(yīng)力變化，兩者的比值與數(shù)據(jù)庫的模型進(jìn)行比照，當(dāng)匹配到斷裂點(diǎn)的曲線特征時(shí)，就可診斷為皮帶斷裂，如圖1所示。

圖1 帶長與應(yīng)力比值曲線圖

這種診斷方法的應(yīng)用，是基于皮帶長度的變量與皮帶內(nèi)應(yīng)力變量的比值成一定的比例關(guān)系。當(dāng)皮帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，皮帶長度隨著承受的內(nèi)應(yīng)力的增加而增加，增加的變量比值具有一定的力學(xué)特征。但當(dāng)所受內(nèi)應(yīng)力值大于本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，兩者的比值不再具有正常塑性變形的特征。

當(dāng)皮帶所受應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生相同單位應(yīng)力變量時(shí)，帶長變量會(huì)成增加趨勢，即從帶長與應(yīng)力比例曲線上呈現(xiàn)出斜率變小的趨勢。當(dāng)皮帶斷裂趨勢繼續(xù)加劇，帶長與應(yīng)力比值會(huì)大幅增加，帶長與應(yīng)力比例曲線斜率會(huì)大幅變小。

診斷模型是將皮帶斷裂瞬間的內(nèi)應(yīng)力值Fmax、帶長和內(nèi)應(yīng)力比值Δmax作為診斷的極限值，并建立曲線模型，當(dāng)監(jiān)測數(shù)值接近極限值時(shí)就可以預(yù)警。當(dāng)檢測值超過極限值時(shí)就可診斷為皮帶斷裂。

3 故障診斷算法和模型研究趨勢

目前的煤礦帶式輸送機(jī)故障診斷越來越智能化，故障診斷算法和模型的研究方向也趨于更先進(jìn)。一般都是選取煤礦帶式輸送機(jī)的運(yùn)行參數(shù)作為故障診斷的判斷原始樣本數(shù)據(jù)，采用粗糙集屬性約間算法和BP/SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立智能故障診斷模型。

首先采用BP/SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法將條件參數(shù)進(jìn)行離散化，計(jì)算決策參數(shù)對離散條件參數(shù)的依賴度，并依據(jù)結(jié)果設(shè)置離散值。然后重新將原始數(shù)據(jù)輸入BP/SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。再運(yùn)用粗糙集屬性約間算法對故障屬性條件進(jìn)行最優(yōu)約簡，計(jì)算出最優(yōu)的最小故障征兆屬性的簡集。最后建立基于粗糙集屬性約間算法和L-MBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家智能故障診斷模型，通過這些模型，再利用先進(jìn)的智能監(jiān)測傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)故障診斷和預(yù)警。

雖然目前診斷算法和模型愈發(fā)完善，監(jiān)測設(shè)備和手段也愈發(fā)先進(jìn)，但仍然沒有一套成熟的故障診斷專家系統(tǒng)得到應(yīng)用。實(shí)際的煤礦帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中，不容易監(jiān)測到故障的全部的特征，當(dāng)故障發(fā)生瞬間，系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)出預(yù)警和診斷結(jié)果，操作人員和專家系統(tǒng)都人工和自動(dòng)采取對應(yīng)措施。因此故障診斷模型的特征監(jiān)測有待改進(jìn)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能實(shí)時(shí)監(jiān)測到全部故障特征的能力。

4 結(jié)語

煤礦帶式輸送機(jī)的使用非常之廣泛，其結(jié)構(gòu)和性能更復(fù)雜和智能。其工作環(huán)境惡劣，物料輸送距離長，連續(xù)工作時(shí)間長，對其故障診斷的研究方法更加的完善，診斷結(jié)果更加準(zhǔn)確。隨著研究的投入，煤礦帶式輸送機(jī)的智能化診斷方法的研究會(huì)更完善，將新的監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備、新的診斷理論和模型應(yīng)用到智能診斷系統(tǒng)中，進(jìn)而提高煤礦帶式輸送機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確性。