胶带输送机自动巡视设备设计研究与可行性分析

孟祥龙

(国能神东煤炭集团有限责任公司石圪台煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

胶带运输机(简称胶带机)在巷道中安装，根据需求有几十米至几千米不同的安装长度，胶带机的沿线目前多采用人工巡视，耗时耗力，且无法及时发现沿线胶带机的运行状态，而经常出现的胶带机带面跑偏、纵向撕带、机架磨损、托辊损坏等情况，往往只能在人工巡视时被发现，再进行检修处理。目前多采用检修前的巡视或生产运转期间的人工巡视。为了解决胶带机人工巡视耗时久、周期长、时效性差等问题，部分厂商以研制巷道巡视机器人的方式代替人工巡视，巡视机器人以蓄电池等设备自行走机器人为主，目前只能减轻人工巡视的劳动负荷，因此迫切地需要一种短时耗、高效率、低能耗、低成本、高效益的巡视设备。

1 设计方案

利用皮带机巷道目前已具备的供电条件、网络通信设施、顶板支护状态等，在巷道顶板上分段安装长度相同的轨道，配备直流电机牵引机构的巡视设备，以50～100 m为最佳状态，在保证监测及时性和可靠性的基础上，可将速度设定在0.1～0.5 m/s，实现单台巡视设备对50～100 m范围内的胶带机在100～1 000 s内完成巡视，速度过快影响巡视效果，速度过慢会使巡视的周期过长，影响巡视的及时性。巡视设备在轨道上做往复运动，并记录胶带机的运行状态通过通信系统上传至服务器，当胶带机运行过程中出现故障时，提供及时的声光报警，并通过通信系统给予机头操作人员报警提醒，同时通过通信网络将报警信号传送至集中控制室。如图1所示。

图1 胶带机自动巡视设备组成、安装示意Fig.1 Composition and installation of automatic inspection equipment for belt conveyor

1.1 总体规划

安装自动巡视设备：每50～100 m安装一套自动巡视设备，慢速巡航以记录胶带机运行状态，100～1 000 s时间完成一次巡视，200～2 000 s时间实现一次往复运动，返回至出发点，实现对50～100 m范围内胶带机运行状态的完全监测监控、报警功能，并趋近于实时监测。

安装滑道：将滑道安装在胶带机中心线上方的巷道顶板上，巷道顶板支护普遍采用锚杆、铁质网片，支护条件好，巷道顶板稳定，在此基础上使用短锚杆或其他简单的固定材料即可完成滑道安装。作为巡视设备的轨道，巡视设备可以在滑道上由钢丝绳牵引做前后运动，不会左右运动，保证其运行的稳定性，在滑道两侧各安装1个小型牵引电机、钢丝绳绞车和牵引钢丝绳，通过2条钢丝绳的相互收放牵引，实现巡视设备的往复运动。

由于在滑道的两端各安装了1个牵引电机，同一时间内只能有1个牵引电机转动，实现巡视设备的运动。机械机构上，可采用棘轮机构；电气控制上，可使用继电器进行控制回路的互相切换。当1台电机转动时，另一台电机处于停电状态，转动的电机通过牵引钢丝绳带动巡视设备运行，另一端的钢丝绳会随之释放，当电机运动到端点后切断电源，同时另一台电机通电运转，如此反复，即可实现巡视机构的往复运动。

配备必要的服务器和存储设备：可以存储监测到的温度、声音、影像、图像等数据信息，为分析故障的原因和应对方法提供参考资料，同时也可通过收集大量的数据，为胶带机的运行状态调整、优化提供数据支撑，更为发现巡视设备存在的缺陷、不足，改良、改善巡视设备提供数据、影像参考。

1.2 具备的功能

结合目前传感器类设备的技术发展，为了进一步控制成本，该巡视设备采用市场上被广泛使用的传感器，可安装有红外热量感应传感器、摄像设备，以监测分贝或声波波长为主的声音监测设备，一氧化碳传感器，烟雾传感器，声波雷达类设备，照明设备，网络通信设备及其他附属配件等。

红外热量感应传感器：由于巷道内的环境温度基本能够在胶带机正常运转时保持相对稳定的状态，当胶带机沿线发生火灾、带面跑偏引起的磨皮带架、带面打滑等情况时，所对应的位置温度会发生变化，红外热量感应传感器会将探测到的高温情况记录下来，并预警。

摄像设备：①可以实时提供胶带机运行的影像，便于远程监控。当胶带机出现异常状态时，可提供自动拍照、录像功能，形成影像资料。②由于巡视设备在轨道上前后运行时，左右位置相对稳定，胶带机正常运行时左右位置也处于相对稳定的状态，可通过摄像设备设置正常报警线，当胶带机跑偏或发生纵向撕裂情况时，会通过相对位置的比较来判断胶带机运行异常，并发出监测、报警,甚至停车信号。

声音监测设备：胶带机正常运行，胶带不跑偏、不洒煤、托辊不损坏时，声音基本保持稳定，当发生跑偏、洒煤、托辊损坏等异常情况时，会发出不同的声音，通过声音监测设备，设定胶带机正常运行时的声音分贝值，当分贝值突然增加或发生变化时，提供监测、报警信号。

一氧化碳传感器和烟雾传感器：在胶带机着火、打滑等产生烟尘、一氧化碳等异常气体时提供监测、报警信号，提醒胶带机有着火隐患。

声波雷达类设备：利用雷达监测胶带机带面的运行范围，当胶带机出现跑偏、纵向撕裂时带面宽度会发生变化，雷达可监测到并发出报警信号。

照明设备：为了实现影像的清晰传递，巷道内需要有足够的照明，因此在巡视设备上安装照明设备。

其他设备：为了防止顶板淋水的影响，将所有传感探头安装在巡视设备底部，在巡视设备的顶端安装防淋水护罩。安装滑轮，与滑道密切配合，作为行走机构。

2 电力供应与通信保障

2.1 电力供应

目前主要胶带机运输巷道内已基本实现了全部的巷道照明，采用照明综合信号保护开关输出的交流127 V电力作为供应，约30～50 m在巷道顶板上安装有一盏矿用防爆型照明灯，照明灯之间使用矿用橡套绝缘电缆连接；而胶带机沿线每500 m范围内会有一个集中配电点，可在原有的设备基础上安设交流127 V电源供电设备为巡视设备提供电力，为了保证电力供应的安全可靠，在巡视设备轨道两端安装必要的电源适配装置，目前市场上具有成熟技术的防爆认证和煤矿安全标示的该类产品较为丰富，可将其通过变压、整流后，输出直流12 V、18 V、24 V、36 V等多种电压等级的电源，使用矿用橡套电缆作为供电线路，50～100 m的供电距离，可将电压维持在可靠的压降范围内，既符合煤矿安全规程，又可以保证供电安全。

两端的牵引电机另外使用低于36 V的直流电源线路供电，与巡视设备不发生干涉，以保证供电系统的可靠。如图2所示。

图2 设备组成及供电原理Fig.2 Equipment composition and power supply principle

2.2 通信保障

目前井下已经基本实现了无线通信网络系统的全覆盖，井下使用WiFi、4G通信技术，在皮带运输巷和辅助运输巷每50 m都安装有网络通信基站，巷道内的无线网络和4G网络信号良好，传输速度快，因此在巡视设备中可安装无线网络接收装置，作为网络的终端设备，将采集到的信息通过网络信号基站进行传输，无需增加设备即可获得可靠、充沛的通信保障。

3 使用与维护

胶带机自动巡视系统由多套巡视设备共同组成，每台设备按顺序进行编号，安装和使用可以在既简单又便捷的方式下进行，均匀安装分布在胶带机的沿线，可以从张紧部一直安装至皮带机尾，基本实现对整条胶带机的监测、报警，同时可根据需要设置停机信号，与胶带机的控制系统进行连接，在胶带机出现故障时，发出信号使胶带机停机。设备操作人员和巡视人员可以在查看影像和传感器数据后，判断出发生故障的位置，便于人员进一步准确、快速前往故障点进行相应处理。

在井下使用时需要兼顾煤尘、淋水等对设备的影响，由于有摄像设备和其他传感设备的数据进行统计，单台巡视设备如若出现故障，只需要检修人员到对应的设备位置检修即可，大大提高对巡视设备故障判断的准确率和检修效率。

由于巡视设备整体吊挂在顶板上，除需要进行简单的润滑和电气设备的检查、维护、保养外，相对于在底板上行走运行的巡视设备维护、保养量较小，也不会受到底板煤泥、皮带上掉落煤块的影响。

4 经济效益分析

该套设备组成的胶带机巡视系统在运输巷对胶带机的巡视效率高、巡视周期短，能及时传递胶带机的故障，预测预报准确，在已有成熟的设备基础上进行改进、研发、制造，需要购买的产品种类多，可选择性高，需要自主加工制作的相对较少，具备低成本的特点。

使用后，及时发现和预警胶带机存在的设备故障，带面成本高，安装费用高，胶带机的运行速度多在4～5 m/s，发生跑偏、撕带时，带面极易发生长距离的损坏，造成严重的经济损失，加之胶带机发生故障后，往往影响综采工作面和连采工作面的回采和掘进生产，造成的产量和进尺影响均会对矿井的安全生产造成巨大的经济损失。

该巡视设备可以极大地避免胶带机故障的扩大，降低对正常生产的影响，又避免胶带机的损失，可以产生巨大的经济效益。而且此设备的使用可以为煤矿的自动化技术应用研究提供更多思路，具有很宽广的应用前景。

5 遇到问题与应对方案

按照此方案可以设计制造出符合实际又便于使用的巡视设备，但仍然会出现一些制造、使用、维护方面的问题，需要在设计制造时进行具体的问题分析解决。

软件的开发与应用。硬件系统由市场上的成熟产品即可实现，但要实现对胶带机故障的监测、报警、停车等功能，还需要从软件的开发上研制可靠、稳定的系统。另外，单套设备的数据集成分析，也需要通过软件系统来实现，在软件开发上需要进行全新的研究。但目前很多网络公司和软件开发商研发该类软件也具备成熟条件。

数据上传的不稳定性。由于设备处于实时的运转中，当网络信号不稳定时会影响数据的正常传输，还会造成一定的网络延迟，对胶带机故障的及时处置造成一定的影响。

单台设备故障可能会影响其他设备的正常工作。为了解决这个问题，尽量采用数据上传的方式，由总机进行数据分析和处理，当胶带机出现故障后，发出报警信号，也可由值班人员通过影像等进行观察判断，做出及时有效的处理。

6 结论

(1)设备造价低。目前的摄影、摄像器材成熟，设备购置价格较低，这些设备质量好、稳定性高等特点使得在硬件的开发制造上，成本不会太高，巡视设备的单台造价预计在2万元以内，单套成套设备的造价预计在3万元以内，每1 000 m胶带机覆盖的设备造价预计在30万元左右。而胶带机发生撕带事故后，带面无法重复使用，每1 000 m带面的损失在200万元以上，若计算人工成本、生产影响，将远远超过巡视设备的造价。

(2)质量小，安装后，巡视设备的运行将得到充足保障。按照防爆设备的制造质量，单台巡视设备的尺寸预计为300 mm×300 mm×200 mm，质量小于10 kg，对环境和滑道的影响较小，可实施性较高。

(3)实现胶带机巡查无死角、全覆盖，单套设备出现故障后，不会影响到其他设备的正常使用，其他巡视设备仍保持在正常状态，影响范围相对较小。

(4)该套方案结合井下各项实际条件，考虑诸多因素后，仍然保持在可行范围内，符合实际需求、具有实际效益，为胶带机巡视设备的设计研究提供了一种思路。