带式输送机安全监测系统的可行性分析研究_王哲.pdf

带式输送机安全监测系统的可行性分析研究王哲（晋能控股煤业集团挖金湾煤业有限公司，山西大同037001）摘要：为保证带式输送机安全可靠运行，设计研究了矿用带式输送机的安全监测系统功能架构，并构建了无线与有线相结合以及具有移动巡检、分布式监测分站的通信网络和监测主站的主从式监测系统。通过系统软硬件结合，使系统能够对带式输送机运行状态进行实时监测，并重点对监测系统的主站监测管理程序进行实验模拟测试，结果表明，该矿用带式输送机安全监测系统能够达到设计要求。关键词：矿用带式输送机；安全监测；移动巡检；无线通信中图分类号：TD528.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0194-020引言带式输送机是输送散装物料的主要机械设备1，其中，挠性输送带是物料的主要输送件和承载件，通过驱动滚筒带动输送带，并利用摩擦驱动作用对散装物料实现连续运输2，因此输送机具有输送能力大、对物料适应性强、连续运输、运行可靠、功耗小等优点3，主要应用于煤矿的采掘、运输和加工等过程中，能够适应各种复杂的工作环境，已经成为煤矿目前最为理想的运输设备4。带式输送机的工作原理是：通过传动、尾部滚筒，输送带形成无极环形带，并利用托辊来对上下输送带进行支撑，同时利用张紧装置为输送带提供所需的张力5。所以，在输送机运行时，是通过驱动装置中输送带和传动滚筒间的摩擦力驱动输送带运行，并带动输送带上的煤炭物料和输送带一起动作，实现将煤炭物料从一个地方输送到另一各地方6。但是，由于输送机在设计上的不足会导致输送机打滑、跑偏、甚至爆炸等安全事故的发生，需要从本质上使输送机的安全性能提高7。所以，为使带式输送机始终能够安全可靠地运行，设计研究了矿用带式输送机的安全监测系统功能架构，并构建了无线与有线相结合以及具有移动巡检、分布式监测分站的通信网络和监测主站的主从式监测系统，并对其可行性进行研究，大幅提高带式输送机的安全运行度。1安全监测系统的分析设计为快速完成对带式输送机驱动部分、输送带、托辊与机架等故障的有效监测，对矿用带式输送安全监测系统功能架构进行设计，图 1 为输送机安全监测系统功能架构图。图 1 中，输送机安全监测系统组成部分有安全监测管理主站、安全监测分站、通信网络。通过两种方式来全面获取输送机的运行相关信息，一是以巡检的方式通过人感官获得；另一种是利用传感器，由原被测物理量转换为电量信号。所以，为实现信息的转换，还建立了移动巡检分站和分布式监测分站，其中，对于移动巡检分站主要用于收集输送机沿线托辊的温度以及监测掘进作业面中的 CO2、瓦斯、CO 等危险气体的浓度，同时采集人的感官，以此来快速对故障现象和位置信息进行获取；而对于分布式监测分站主要对输送机沿线的传感器信号进行收集，便于监测输送机常见的一些故障，如堆煤、打滑、跑偏等。最终经通信系统，将分站采集到的信息传输给主站，并对数据进行分析和处理，实现故障报警、数据显示、存储和查询等功能。1.1监测系统硬件设计安全监测系统有两种信息采集方式，即固定传感器和移动巡检，其中固定传感器的安装位置比较分散，其分布式监测分站是各布置一个传感器在机头、机尾和中间的位置。所以，鉴于传感器的安装位置，位于机头处的监测分站重点对对跑偏、编码器、温度、烟雾和堆煤等传感器的信号进行采集；位于机尾处的监测分站重点对测力、漏料、编码器、跑偏和堆煤等传感器的信号进行收集；而位于中间位置处的监测分站重点对拉力和跑偏传感器的信号进行采集。此外，对于移动巡检分站，其重点是用来采集温度和气体传感器的信号。下页图 2 为系统硬件结构图。下页图 2 中，安全监测系统组成部分有分布式监测和移动巡检分站、传感器组、监测主站、通信设备收稿日期：2022-04-29作者简介：王哲（1995），男，山西大同人，本科，毕业于太原理工大学现代科技学院，助理工程师，研究方向为矿山信息和智能化。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.078图 1安全监测系统功能架构图矿用带式输送机安全监测系统通信安全监测分站安全监测管理主站分布式监测分站移动巡检分站打滑 纵向 跑偏 胶带断带 撕裂 堆煤 着火监测 监测 监测 监测托辊温度检测危险气体检测巡检故障采集位置信息采集故障判断报警数据曲线显示数据存储查询维修建议自动化系统设计2023 年第 6 期等，本文采用有线和无线相结合模式对主站和分站的数据信息进行传输。通过无线方式，将各分站采集到的被测量信息汇总至无线网站，再通过 CAN 总线8传输给主站完成故障分析。1.2监测系统软件设计鉴于上述对监测系统硬件的设计，需结合相应的软件，才能实现监测系统功能。本文将主要对主站监测管理程序进行设计。对于主站监测管理，其运算处理中心是采用工控机，并结合 LabVIEW9-10来处理和分析检测信息，设计出具有人机界面的安全监测管理系统。监测管理程序主要有用户登录、数据读取、存储与查询、参数设置、安全监测及系统帮助等模块，其中，对于用户登录是限制和管理系统使用者；对于数据读取和参数设置是检测管理系统功能实现的基础，有输送机故障报警阀值、结构尺寸相关参数、串口通信参数等设置参数；对于数据读取是对来自串口传输的监测数据进行读取；对于安全监测是分析和判断各种故障，并通过显示相关参数值与曲线来显示故障情况；对于数据存储与查询是存储有关历史数据和故障信息，同时提供查询功能；对于系统帮助，有系统的故障维修建议以及使用说明，图 3 为主站监测管理程序架构。2安全监测系统的可行性分析为得到安全监测系统的可行性和可靠性，通过模拟实验进行测试，并对主站监测管理程序进行测试和验证。模拟当输送带在正常工况运行时，由于张力的不足造成 CO2浓度超限以及输送带出现打滑两种现象，并对管理程序进行监测，验证其是否能达到设计要求。实验中，当带式输送机正常运行时，额定带速是2.5 m/s，头尾改向滚筒直径均是 0.8 m，两个传动滚筒直径均是 1 m。从带式输送机正常运行时的界面显示情况可以看出，输送带滑差率和张力大小都在可以控制的范围内进行波动，且各项参数都显示正常，没有报警。实验中，当出现张力不足，导致输送带打滑和CO2浓度超限时，滑差率不断增大，且超出一级打滑下限；而张紧力曲线则出现下滑情况，并逐渐达到张紧力的下限；张力不足、CO2浓度超标指示灯亮，同时，打滑指示灯也亮并显示故障，其余参数都显示正常。这就表明主站监测管理程序可对故障进行监测和报警，并显示对应的数据。3结语为保证带式输送机安全可靠运行，本文设计研究矿用带式输送机的安全监测系统功能架构，并构建了无线与有线相结合以及具有移动巡检、分布式监测分站的通信网络和监测主站的主从式监测系统。最后，通过系统软硬件结合，使系统能够对带式输送机运行状态进行实时监测，并重点对监测系统的主站监测管理程序进行实验模拟测试，结果表明，该矿用带式输送机安全监测系统能够达到设计要求。参考文献1林福严，李凌风，张晓如，等.煤矿带式输送机故障分析J.煤矿机械，2011（2）：261-263.2李利，王瑞，党栋.带式输送机的技术现状及发展趋势J.橡胶工业，2015，62（2）：123-127.3王建云.矿用带式输送机及其应用和设计J.中国高新技术企业，2010（14）：65-66.4秦培均.煤矿井下带式输送机打滑故障分析及预防J.煤矿机械，2013（7）：211-213.5武欣，杜长龙，张佳佳.带式输送机关键部件的设计J.煤矿机械，2010（8）：59-60.6李建强.煤矿带式输送机的整体设计与选择探讨J.现代商贸工业，2011（19）：292-293.7王成.胶带输送机机头和机尾堆煤保护装置的设计制作与应用J.中国设备工程，2007（12）：42-43.8黎华.基于 CAN 总线的带式输送机监控系统设计J.煤矿机械，2014（9）：30-31.9杜平，高睿.基于 AVR 和 Lab VIEW 的带式输送机安全监测系统设计J.陕西煤炭，2015（1）：79-82.图 2安全监测系统硬件结构图图 3主站监测管理程序架构主站CAN 总线无线接收装置无线传输机尾分布式中间分布式机头分布式监测分站监测分站监测分站移动巡检分站堆煤传感器漏料传感器测力传感器跑偏传感器编码器堆煤传感器烟雾传感器温度传感器跑偏传感器编码器编码器跑偏传感器张力传感器登录系统参数设置数据读取安全监测模块状态显示数据存储与查询退出系统输送机参数报警门限串口数据读取数据包解析故障分析故障报警实时数据实时曲线历史故障历史监测参数（下转第 198 页）王哲：带式输送机安全监测系统的可行性分析研究195机械管理开发第 38 卷量控制下的转矩脉动较明显，脉动幅度较小，在大约为 0.15 s 的时间内转矩达到最大值随后降低到最小并逐渐趋于稳定状态，当受到外部干扰时，转矩变化非常明显。由此可以看出，直驱系统在进行控制的过程中会存在较大的速度脉动和转矩脉动，为了保证运行的平稳性，需要使用变频器进行控制并优化控制算法，实现平稳启动和运行。4现场应用与效果分析对本次提出的矿用带式输送机直驱系统，该系统运用变频器控制启动，能实现系统传动的缓慢匀速启动，避免了电机启动的瞬间大电流给电网带来的冲击，以及转矩瞬时剧增给传动系统带来的机械冲击，由此降低了系统的电网故障和机械故障，同时由于比原系统减少了液力偶合器及减速器，在维修费用上每年至少可节约 3 万元，从而降低了维护成本。采用永磁直驱滚筒带式输送机可以有效节省减速器、制动器和联轴器等部件，大大降低设备的制造成本，同时也能够降低设备的故障率，基本上不需要进行维修。目前，传统的带式输送机都需要配备工人进行维护，使用永磁直驱滚筒后每年可以节省至少 190 万元的维修成本，减少设备的维护量和耗材量，并且控制系统采用软启动控制，保证启动平稳高效，做到免维护。5结语针对传统的矿用带式输送机驱动系统采用电动机、减速器和联轴器等部件连接导致传动系统复杂、传动效率低、机械效率低、耗能较高等问题，本文提出了一种永磁直驱滚筒带式输送机，从而将电能直接转变为机械能，节省了电动机、联轴器和减速器等部件，缩短了传动链，使得最终传动效率大大提高，并采用软启动变频器，使得整个系统的启动过程更加快速，带式输送机的运行更加平稳，冲击更小。通过现场应用验证了方案的合理性，总的传动效率达到了 93%，综合节能效果提高了 25%左右，降低了电能的损耗，大大节省了企业的维修成本，取得良好的应用效果和经济效益。参考文献1王传奇.带式输送机驱动系统技术现状及发展趋势J.现代制造技术与装备，2022，58（1）：37-39.2高海生.永磁电机直驱控制系统在带式输送机上的应用J.能源与节能，2021（11）：177-178.3陆小康，黄晓飞，王学峰.永磁直驱系统在煤矿带式输送机中的应用J.煤炭科技，2021，42（6）：140-143.4倪少军，沈铭华.永磁直驱矿用带式输送机系统关键控制策略研究J.电子世界，2021（20）：52-53.（编辑：李俊慧）Research on the Control Strategy of Direct Drive Speed Regulation of Mining Belt ConveyorDeng Yongsheng（Shanxi Coking Coal Xishan Coal Power Xigou Coal Mine,Taiyuan Shanxi 030024）Abstract:Aiming at the problems of complex drive system structure,low mechanical efficiency,high noise and high energy consumption inthe traditional belt conveyor drive method,a permanent magnetic direct