矿用皮带机运行状态监测系统研究

崔文亮

（阳煤集团平定裕泰煤业有限公司， 山西 平定 045200）

1 研究背景及意义

皮带机是煤矿生产中常用的连续运输设备，而煤矿井下生产环境恶劣，尤其对于运距长、运量大的主运输皮带，检修维护工程量大，在检修技术及管理相对较差的情况下，有可能导致皮带故障发生，给矿井正常生产带来隐患，严重时可能会引发机器损毁及人员伤亡的恶性事件。因此，对皮带机运行状态进行实时监测，识别并判断故障发生类型及部位，及时进行响应并报警，对于保证皮带机安全平稳运行，实现矿井安全生产具有重要的意义。

2 皮带机常见故障及故障识别方法

皮带机在运行过程中常会遇到：皮带打滑、皮带纵向撕裂、皮带跑偏、托辊运转不灵活、皮带火灾事故、皮带堆料、皮带断裂等故障。在平时的生产工作中要对皮带运行中各类故障发生的原因及特点进行分析，以便能够及时采取相关维护措施。

1）皮带打滑故障。若输送带的运行带速与驱动滚筒的线速度不相同时，导致打滑故障的产生，速度偏差越大则打滑现象也越严重。针对此类故障，可通过在关键部位布置带速传感器，对这些位置的带速v1、v2、v3等进行测量并记录，与此同时通过转速传感器对驱动滚筒的线速度v进行测量，若皮带出现打滑故障，则v1=v2=v3=…≠v，以此来进行故障识别。打滑同时会引起输送带摩擦过热等现象[1-2]。

2）皮带纵向撕裂故障。皮带撕裂故障常发生于皮带装载点附近，高速下落且带有突起或棱角的物料容易将皮带划破，若其卡在机架或者托辊上，则会对皮带产生持续划伤，最终引起皮带的撕裂。皮带撕裂故障可通过安装纵撕开关来进行识别。当皮带发生纵向撕裂故障时，开关的运行状态将会发生变化，由此可以判断皮带是否发生纵向撕裂故障。

3）皮带跑偏故障。当输送带在运行过程中给料不正或者发生老化等现象会导致输送带偏离运行的中心线而发生跑偏现象。通过在机架安装跑偏开关对故障进行识别，当皮带发生跑偏时，会作用于摆杆导致其左右摆动，开关组里面的微动开关发生动作，可根据开关变化情况来判断皮带的跑偏程度，跑偏开关的弹簧会防止摆杆变形过大而导致开关损坏。

4）托辊转动不灵活。托辊转动不灵活可以采用测量托辊转速的方式来判别，但由于皮带机上所用托辊数量众多，如果在每个托辊上都安装转速传感器耗资巨大，在实际生产中并不具有可行性，针对该类故障还应采用维护过程中人工识别的方法来进行。

5）皮带火灾事故。皮带机属于火灾重点防护对象，若发生火灾则会给矿井安全生产带来不可逆转的后果。引起皮带火灾事故的主要原因有皮带打滑升温及外因火灾等，可通过在皮带机布置烟雾传感器和温度传感器来进行火灾故障识别。

6）皮带堆料事故。可通过堆煤开关对皮带堆料故障进行识别，堆煤开关电极正常情况下处于悬空状态，不会与地面接触，如果发生堆料故障，则电极与堆煤接触，从而形成闭合回路，堆煤开关发生动作，由此可识别堆煤故障。

7）皮带断裂故障。针对该类型故障，可通过皮带运动方向检测法、速度检测法、张力检测法、垂悬度检测法及磁场变化法等进行检测。本研究系统中，通过速度检测法和张力检测法相结合的方式来进行故障识别，当皮带发生断带故障时，断带处两侧的带速将不再相等且张力会减小，若发生上述现象，则可断定皮带发生断带故障。

8）减速器故障。通过采用速度振动传感器可以测量减速器的振动剧烈程度，若超过设定的阀值时，则可以判断减速器已经发生故障[3-4]。

3 皮带机运行状态监测系统

3.1 监测结构及原理

皮带机运行监测结构如图1所示，本案摄像机安装在皮带机头和机尾，通过交换机将采集的图像传递给监控室，温度传感器及堆煤开关等通过智能仪表传递到可编程控制器，电子皮带秤通过传输端口进入可编程控制器，转速传感器及断带抓捕装置经由输入模块将所采集到的信号传输到可编程控制器，可编程控制器将所有传输进来的信号再经交换机处理后进入监控电脑。监控电脑将实时显示皮带运行状态，若皮带发生故障将显示出故障发生部位及原因，并及时报警，同时监控电脑可将皮带机的历史运行趋势曲线自动生成报表数据并保存。

图1 皮带机运行监测系统结构图

3.2 监测系统平台设计

3.2.1 各类传感器的型号选择及合理布置

根据皮带机具体情况及所需监测参数，选择合适的传感器并合理进行布置，这样可以提高监测系统运行的可靠性及稳定性，以取得良好的监测效果。

1）转速传感器及带速传感器的选型与布置。通过布置转速传感器和带速传感器可以对输送机断带、打滑等故障进行判断，同时辅以温度及张力传感器等可以提高故障诊断的准确性。这两种传感器应选择经过煤安认证的本质安全型传感器，在驱动滚筒和改向滚筒轴上安装转速传感器，以测得两滚筒的线速度。带速传感器安装在皮带下方的皮带机架上，且速度传感器测速轮的轴线与皮带的运行方向应保持垂直，并相接触，同时应施加一定的预紧力，以防止二者间出现滑动摩擦。理论上带速传感器布置越多，越容易判断断带位置，综合考虑经济及技术要求，在易发生断带位置布置带速传感器即可。

2）纵向撕裂开关的选型与布置。纵向撕裂开关选用磁感应方式的KPJ1A型开关，该种开关在煤矿井下有煤尘与瓦斯的环境中有很好的适应性，纵向撕裂开关通常安装在落料口附近的皮带机架上。

3）跑偏开关的选型与布置。跑偏开关选择KGE9A型开关，在皮带机头、机尾及机身一定距离安装跑偏开关，充分考虑摆杆的动作范围，保证跑偏开关的动作灵活及运行正常。

4）烟雾开关的选型与布置。烟雾开关选择KGV1型开关，在有瓦斯与煤尘爆炸危险及易发火灾场所能够灵敏反应，该开关具有检测电路灵敏度高、结构简单、造价低、功率消耗小及维修简单等特点，不论是火灾发生初期的不可见烟雾或者火灾发生后的可见烟雾，均能够稳定检测，能够避免因粉尘引起的误报，通常将烟雾开关安装在皮带下风口5～50 m 内[5]。

5）堆煤开关的选型与布置。堆煤开关选择KGU3B型，将堆煤开关悬挂于落料口需要检测的物料点上方，根据检测需求选择适宜长度的金属杆并将其吊挂于电极上，同时外壳通过导线接地即可。

6）振动传感器的选型与布置。本系统选用的振动传感器采样频率可达到最高频率的10倍，将其安装在减速器外壳上以获得减速器的振动信号，以得知驱动滚筒的运转情况。

7）温度及张力传感器的选型与布置。选用PT100型温度传感器，沿皮带轴向每隔一定距离布置一个温度传感器，在火灾易发区域可以适当增加，在驱动滚筒及电机上也应安装温度传感器，以协助皮带打滑故障的判断。在拉紧装置与皮带间安装拉力传感器，来进行皮带张力的测量，以协助断带故障的测量。

8）急停开关的选型与布置。在皮带机传输方向每隔一定距离安装一个KPG3急停开关，在人工巡检发现皮带故障时，可以及时关停皮带。

3.2.2 信号采集

皮带机控制柜距离皮带机及各传感器距离较远，因此通过智能仪表将各传感器采集的信号打包并以总线的方式传输给可编程控制器。采用总线技术可以大量减少电缆及端子铺设量，减小环境对信号的干扰，安装及调试工程量小，故障率低，便于日常维护。最终建立的硬件平台如下页图2所示，各种传感器与监控柜端口相连接，而监控柜通过网线或光纤与地面监控主机相连接，从而对皮带机运行过程进行全程监测。

4 结语

通过对皮带常见故障类型及识别方法研究，合理选择传感器及保护开关型号并安装，最终建立运行监测系统，完善了皮带机控制理论及实践，然而井下环境复杂多变，相应设备元件精度及可靠度还有待提高，因此还需进行不断深入研究与实践。

图2 监测系统硬件平台构成