神东石圪台煤矿胶带输送机故障诊断方式研究

李 新

(国能神东煤炭集团有限责任公司石圪台煤矿，陕西 榆林 719300)

0 引言

带式输送机广泛的应用在工业生产的各个领域，主要负责长距离、大批量的连续性生产。在电力生产、矿物质开采、港口运输等行业中随处可见。该设备具有运行距离长、可长时间连续性运行、输送量大、运行可靠、设备费用低等特点，现在已经成为工业生产中不可缺少的关键设备[1-3]。随着国家对煤炭能源的需求不断提高，开采技术和勘探技术不断提升，对于胶带输送机的大运量、稳定运行、长距离的要求也越来越高[4-5]。并且随着矿井的开采面积不断加大，大多都开始采用逐级顺序运送的方式工作，多台输送机串联或者并联工作。如果中间的输送机出现故障就会影响其它设备的正常运行，所以针对带式输送机系统的实时监控和智能故障诊断以及远程控制性能要求较高。

因为煤矿井下工作环境比较特殊，胶带输送机输送距离较远、需要连续长时间运行，并且本身也具有较高的自动化程度，设备结构非常复杂，精确零部件较多，受环境温度、湿度等影响较高，这就导致设备的故障诊断较为困难，会使得设备在运行的时候容易受到较大的损害[6-12]。本文以石圪台煤矿为研究对象，使用智能诊断方式对胶带输送机进行研究优化，以提高该矿胶带机使用的安全性。

1 胶带机基本构成与常见故障

1.1 工作原理

胶带机是一个比较复杂的设备，由支撑胶带的机架、起到传动效果的胶带、胶带运转的托辊、电机设备、自动清扫装置、拉紧装置等部分组成。

托辊和机架：托辊用于支撑胶带输送机上下段胶带，目的就是为了减少胶带运行的阻力，能够使胶带在一定的要求内保持良好的垂度，保证胶带机安全运行；机架则用于安装和固定托辊，机架的高度、长度可以根据现场的实际情况安装，主要起到支撑胶带、托辊和物料的作用。

胶带：胶带机中的胶带也是滚动胶带机中的重要单元，承担起物料输送、牵引的作用，因为采矿是一个比较特殊的工作，其具有大物料量、长距离运输，长时间的长距离运行的特点。胶带机正是因为这种工作特点，成为了煤矿工作中的故障高发设备，这就对胶带机提出了高强度、高韧性的要求。

驱动装置：驱动装置由驱动单元和主动滚筒组成，也就是驱动电机，利用这种电机能够为胶带提供牵引力，实现胶带传输、运行，将胶带上部的物料运输到特定的位置。根据实际工作经验得出，驱动电机也是胶带机多发故障点之一。

拉紧装置：胶带在运行的时候不像齿轮一样利用齿轮的咬合力来进行物料的运输，而是利用胶带与轴承之间的摩擦力，保障胶带的正常运行，这种摩擦力就是利用拉紧装置将胶带张紧的。

通过上述论述能够得出，胶带机工作原理就是利用托辊支撑胶带机上下段的胶带，然后由特定的拉紧装置使胶带拉紧，防止胶带因为运输重物导致的宽松、塌陷、搅带等问题。

1.2 胶带机常见故障

由于胶带机特殊的工作环境和工作特点，发生的故障也有很多种，主要有胶带的断带、打滑、跑偏，主要故障发生在胶带、电机、轴承等部位。因为载重过高或者非平稳运行导致胶带的纵向撕裂、堆煤；电机或者胶带的长时间运行，摩擦力加大，最终导致火灾等事故。

胶带打滑：胶带上的货物运输主要依靠胶带上的摩擦力来保证胶带不会因为打滑而无法运行。胶带机打滑是目前胶带最常见的故障之一，将会导致物料输送机在滚动轴承正常运行的条件下无法正常运输物料。

胶带跑偏：胶带在工作的过程中可能会因为给料不正、胶带老化、设备磨损的原因造成胶带机跑偏故障。基本的原理因为胶带机的突然非平稳运动，大物料量的积压最终导致胶带中心线偏离胶带机中心线，此时的滚轴滚动就会进一步的带动胶带的偏移，发生跑偏事故。如果情节较轻，无跑偏事故的发生则会引起胶带和托辊磨损，进一步的长时间运行则会降低设备使用寿命，当胶带跑偏一定的程度造成跑偏量过大，则会导致胶带翻边，发生安全事故。

胶带纵撕：胶带纵撕是因为运送的货物里有锋利的杂物或者其它物品将胶带割裂，是胶带输送机中较为严重的事故。因为胶带是价格比较昂贵的部件，一旦出现撕裂问题就会导致整条胶带报废，还很可能发生严重的安全事故，威胁人身安全，造成较大的经济损失。

胶带火灾事故：胶带机可能会因为长时间的运行导致设备局部过热，引起火灾的发生，如果有了火源则更可能会引爆井内瓦斯，造成系统性的、严重的矿难灾害。造成胶带机火灾的因素较多，一般有设备长时间运行，轴承、滚筒等设备局部温度过高，监控测点失灵无法报警等。

胶带输送机属于大型机械设备，设备元件复杂，控制较为简单。但是常常会因为胶带老化、使用环境恶劣等造成经济损失和设备故障，严重的会发生爆炸和火灾等问题。所以，不论是什么样的设备问题，一旦出现都会造成生产问题，应该针对故障提前识别、预知、处理。

2 胶带机智能故障诊断方式

2.1 研究方法

故障诊断具有内容多、范围宽的学科特性，它在使用的时候不但要结合现代控制理论、设备生产过程、智能控制理论，还需要结合计算机技术、信息处理技术、信号远传技术、分析技术等多种技术控制手段，同时也结合了数理统计学科、数学智能算法理论等。为了更好地对诊断方法进行研究，部分学者还专门设计模拟软件，建立设备故障诊断模型，形成了新的研究课题和研究体系。虽然存在多种理论的故障诊断方法体系，但是根据不同的设备工作特点和工作方式的不同，需要采用不同的故障诊断方法论。对于设备的故障和研究应该从设备的实际出发，根据设备的运行特点和设备的运行方式，采用不同的诊断方式，以理论结合实际的方式，因物制宜实现设备故障的诊断。

2.2 基于专家系统的故障诊断方法

专家系统实质就是一个类似于人脑思维、工作和推理的过程，将设备的运行状态填写在系统中，然后通过知识库调取相似的问题处理方法，通过推理机利用分析推理，最终获得比较可靠的推理结果。在设备使用中专家系统智能故障诊断方法应用非常广泛，也得到了众多用户的好评，是目前为止使用最为成功理论方法之一，专家系统组成如图1所示。

图1 专家系统组成框图Fig.1 Block diagram of the expert system

2.3 基于神经网络的故障诊断方法

神经网络是由不同的处理节点、处理区域组合而来的，是一种模仿动物神经网络特征，对故障信息进行分布式处理的算法。该诊断方法具有联想记忆、自我处理、自我学习的特点，并且还能够进行自组织，具有较强的适应性和较强的容错能力等。这种较强的思维能力，可以实现一些信息无法正常表达、数据搜集缺失及比较复杂的信息处理，可以对信息作出合理的推测和判断，具有较强的实用性。

2.4 基于信息融合和模糊逻辑的故障诊断方法

模糊逻辑是将设备运行时视为一种模糊状态，进而认为发生故障的设备也是模糊征兆的，主要利用这种模糊信号对设备的模糊状态进行识别，识别的过程中还会对故障进行推理，然后通过推理出的故障作出决策，最终确定故障原因。

在设备的不同部位安装不同类型的传感器，并且实现多种信号使用一个传感器，实现检测信息的多元传感融合技术；实现设备全方位、多角度监测，可以实时了解设备运行状态，在获取设备运行状态信息之后对信息预处理，采用信息融合、诊断等方式对其进行再处理，准确预防设备故障。目前应用较新的信息融合技术多采用快速傅立叶变换、小波变换等方法对获得的信息进行补充，完善了信息处理能力，同时也弥补了传统方法信息分析不精确的不足，提高故障诊断可靠性。信息融合技术还与神经网络方法、模糊逻辑方法、多信息融合技术等多种故障分析方法融合，做到取长补短、自我更新，提高了设备运行的智能化，是未来故障诊断技术的发展趋势。

3 煤矿胶带输送机原故障诊断系统分析

3.1 监测诊断系统

石圪台煤矿胶带输送机轴承监测诊断系统设计方案如图2所示。

图2 胶带输送机轴承监测诊断系统设计方案Fig.2 Design scheme of belt conveyor bearing monitoring and diagnosis system

各模块的主要功能如下：

参数设置功能模块：该模块主要设置诊断系统的报警值上限和下限参数，当系统运行参数稳定状态出现的设定值高于或者低于该值的时候，系统就会出现报警，起到警示水平设定的作用。

图形化总体监测模块：该模块主要是将设备的运行状态视图化，能够更好地通过视觉效果来监控轴承温度和振动的大小，将监测的结果模块化、集中化显示，并且能够集中的体现不同部位、不同监测结果的值以及报警状态等。

报表查询模块：该模块除了具有一定的查询作用之外，还能够起到记录的作用，能够有效地记录输送机轴承运行状态，通过表格的形式得到一定时期内轴承振动与温度，并且通过数理统计获得设备参数的运行状态。

报警查询模块：可以通过查询模块获得设备运行的报警值和最大检测值及最优的设备运行信号。

历史趋势分析模块：通过历史查询和数理统计，可以获得一定时期内设备运行的变化趋势，以及设备在运动过程中的温度和振动变化情况，得出运行趋势的分析。

实时显示模块：该系统能够实现设备运行单元的模块化显示，可以将轴承、测点的相关参数，如轴承振动的幅度和温度形象等在设备模型中显示出来，获得直观的设备监控。

诊断报告模块：通过软件的处理，可以将设备的运行状态通过数据处理、整合得出数据的运行参数变化，最终能够得出设备的运行状态报告。

在线操作帮助模块：提供专业知识库与各功能模块使用帮助。

3.2 系统总体设计

系统设计需要实现设备运行的状态监控、信息传输与故障诊断等多功能，以保证能够远程监测到设备的基本状况。所以，故障诊断系统应该包括数据采集、数据传输、监控服务器、故障诊断等部分。数据采集的主要信息有设备的温度、压力、运行过程的振动加速度等，通过传感器检测设备轴承的信号。利用矿本安振动监测分析仪对振动信号和温度进行处理，得出初步的设备信息，然后再经过系统诊断的相关算法进行信号加工处理，处理之后的参数分析结果(温度、压力和振动幅度等)信号传送到环网交换机，之后再利用以太网把信息数据进一步传送到数据库服务器。如果设备出现了工作人员无法处理的故障，可以通过Web发布数据设备，在线监测与故障诊断等实现与专家的远程处理，得到专家的诊断帮助。图3为整个检测系统对10个大型设备进行的安全性能检测，不同的子系统将检测信号传输到交换机中，设计的系统通过数据库的设备信息参数进行综合诊断，然后从局部的系统性能到整体性能进行判断，最终得出整个设备的运行规律和状态，准确地找出设备运行的故障点等。

图3 监控系统整体框架Fig.3 The overall framework of the monitoring system

4 结论

设计了石圪台煤矿在线故障诊断系统，以不同部位传感器测点为基础，同时配置不同的仪器；功能上设置在线监控功能、实时查询功能、信息统计功能等，硬件上以稳定、安全为基础设计胶带机的在线监控系统，实现设备故障的在线监控，保证数据远传的真实性、稳定性，实现胶带机温度、压力、震荡等信号的高精度监控。