皮带运输机故障检测系统的研究与应用

桑宏琪

（西山煤电官地矿运输区， 山西 太原 030022）

引言

煤矿井下皮带运输机作为煤矿生产的重要运输设备，对煤矿企业的生产效益起着至关重要的作用。在生产过程中，皮带运输机经常出现打滑、断带、联轴器断裂等故障，不仅影响生产效率，严重时还能引起生产事故，对企业的经济效益甚至社会形象造成严重影响。某矿皮带运输机的故障检测方法采用的是检测皮带靠轮速度法的间接测量法，但这种方法存在明显的缺点，当出现过载或打滑时，靠轮速度都会降低而无法准确区分故障类型，通常无法获取准确的测量数据。基于此，本文设计一种能够更加准确检测皮带运输机的故障类型及运行状态的故障检测系统[1]。

1 系统工作原理

本系统的基本工作原理是对电机磁电的转换进行检测，即把电机的转矩转化为电信号与电机转动过程中电信号之间的相位差（电信号相位差的变化随着电机转矩的增大而增大）。皮带运输机的电机弹性轴两端分别安装有一个齿轮，齿轮的上方安装有缠绕着信号圈的磁钢用来检测信号。电机运行过程中，信号圈中会产生两种感应电势。当外加转矩为零时，就会产生一个不变的相位差，这个相位差的大小仅仅与电机轴上齿轮的安装位置相关。电机转动后，电机的弹性轴就会发生一定的扭曲，在一定范围内，其产生的扭角大小与外加的转矩有关，扭角随着转矩的增大而增大。扭角的变化又引起两个电势的相位差跟着改变，相位差的变化量与扭角的大小呈正相关。

2 系统功能

打滑、断带、划伤、过载、联轴器断裂等是皮带运输机在生产过程中经常会出现的故障。通过皮带运输机的故障检测系统对转化的电信号设定阈值，当超出所设定的阈值时，就会发出报警信号。皮带运输机处于正常运行状态时，外接的电信号触点处于断开状态，此时的报警指示灯不亮，报警器也处于关闭状态；当皮带运输机发生故障时，报警指示灯亮起并且报警器也将发出报警信号。经维修人员维修后，皮带运输机重新恢复到正常状态，报警指示灯和报警器也恢复到正常状态。故障报警控制系统共有四个报警控制单元，分别为电机的转矩下降至正常状态的30%和下降至正常状态的50%以及电机的转矩上升至正常状态的150%和上升至正常状态的170%。信号相位的测量通过将一组高脉冲内插至所需测量的信号，然后对高频脉冲进行计数从而计算出相位差。信号在输出过程中需要经过信号处理单元进行整形放大、AD转换后输入到报警单元，报警单元接收到信号后与系统所设定的阈值进行比较并将对比结果进行反馈[2]。

2.1 皮带打滑故障报警

发生皮带打滑故障的原因是由于皮带与滚筒之间的张力超出皮带两端张力的极限，此时的皮带运输机的转矩会有所下降，如下页图1所示。当皮带运输机的电机输出功率下降至正常运转情况下的50%时，输出的信号经整形放大输入至报警系统的控制单元，报警指示灯亮起并且报警器也将发出报警信号，以提醒相关作业人员进行维修。如果维修效果不能满足要求，则皮带运输机的转矩可能会持续下降，当下降至正常水平的30%时，报警系统就会发出紧急报警信号，皮带运输机必须立即停止运行，直到维修完成方可重新开启。

2.2 皮带撕裂故障报警

皮带撕裂主要是由于皮带所承受的负荷超出承受范围，托滚的正压力变大引起皮带摩擦阻力增加。此时皮带所产生的牵引力将小于皮带与矿石之间的摩擦阻力，电机的输出转矩增加，如下页图2所示。当皮带运输机的电机输出功率上升至正常运转情况下的130%时，输出的信号经整形放大输入至报警系统的控制单元，报警指示灯亮起并且报警器也将发出报警信号，当皮带运输机的电机输出功率上升至正常运转情况下的150%时，报警系统也会发出紧急报警信号，故障检测系统会主动关闭电源，停止给料。

图1 皮带打滑时电机输出转矩变化曲线

图2 皮带过载时电机输出转矩变化曲线

2.3 其他故障报警

皮带运输机的皮带强度不能满足正常生产运输要求时，皮带就可能会发生断裂或皮带运输机的联轴器断裂。当发生这些情况时，电机的转矩就会迅速下降。如图3、图4所示。转化出的电信号输出至控制单元，报警指示灯亮起并且报警器也将发出报警信号，同时，故障检测系统也会控制断开电源，停止给矿[3]。

图3 皮带打滑时电机输出转矩变化曲线

图4 皮带联轴器断裂时电机输出转矩变化曲线

3 系统抗干扰措施

检测系统在进行信号传输时，很容易受到外界电流、电压等产生的干扰，以至于经常出现数据不全，数据不准等现象，导致系统测控精度下降。即使目前已经采取了多种抗干扰措施（电源接地、电路板合理布线和数字滤波等），但在数据传输过程中扔会出现数据失真的现象。因此在本系统中提出了I/O通道的硬件抗干扰措施和数字滤波的软件抗干扰措施。

信号传输过程中的主要干扰因素是通道中的长线传输（计算机主振频率为1 MHz时，传输大于0.5 m即作为长线传输处理），为保证长线传输的可靠性，主要采用光电耦合隔离，抗阻匹配的措施。采用光电耦合器断开主机与I/O通道及其他主机的电源，防止外界干扰从信号传输通道中进入主机，有效抑制尖峰脉冲，提高信号传输通道中的信噪比。将强点信号与弱点信号、高频与低频信号、交流与直流、电源线与信号线分开以阻止线间串扰。

抗干扰措施中，对软件采取抗干扰措施是一种简单有效的方法，采用数字滤波保护系统接收、处理信息，且数字滤波可以通过添加分析软件实现，无需增加硬件设备，仅通过改变软件运行程序就可对多种频率信号进行滤波操作，简单方便，可靠性高。在该检测系统中，在原有的抗干扰措施中新增I/O通道抗干扰措施和数字滤波软件抗干扰措施，以提升硬、软件的抗干扰能力，保证长期稳定可靠的运行。

4 现场应用

某矿在皮带运输机的电机弹性轴两端分别安装有一个缠绕着信号圈的磁钢齿轮，并在主机的传输过程中采用光电耦合隔离，抗阻匹配的措施。经过一年多的运行观察，发现该系统与某矿原有的故障检测系统相比，可靠性有明显的提升，操作人员可以通过监控室的电脑准确获取皮带运输机的实时运输现状，返回的数据更加真实，应用期间皮带运输机共发生5次故障且检测系统全部检测出。实际应用表明，采用转矩传感器对故障进行间接监测的测量转矩方法效果比传统测量方法更加可靠、高效。此方法在其他的检测上具有通用性和可借鉴性。

5 结语

本系统主要是基于煤矿井下正常生产过程中皮带运输机经常发生的一些打滑、断带、过载和联轴器断裂等故障所设计的，是根据这些常见故障与电机转矩之间的联系研发的全新的故障检测系统，在原有抗干扰措施的基础上新增I/O通道的硬件抗干扰措施和数字滤波的软件抗干扰措施。该系统在生产实际应用中，比以前的检测系统反应更加迅速，可靠性更高，不仅可以减少劳动力成本，提升煤矿企业生产效率，还可以有效防止事故的发生。