煤矿主运输皮带故障智能诊断与保护研究

＊李 乾

（西山煤电（集团）有限责任公司 山西 030053）

前言

煤矿主运输皮带是煤矿生产的主要运输载体，对于保障煤矿企业安全稳定生产发挥着重要作用。现代煤矿生产多采用滚筒驱动装置摩擦力带动皮带运转，在主运输皮带运行过程中经常发生皮带打滑、撕裂、跑偏、局部高温等风险。为此，煤矿许多皮带机都安装了拉紧调节保护装置和防撕裂保护装置，并将机械化皮带保护装置与智能化控制系统结合起来，通过分析皮带运输动力学规律，不断预测、校正运输皮带动态特性参数，从而使煤矿井下运输皮带更加稳定高效运行。

1.煤矿主运输皮带故障

(1)煤矿皮带机概述

作为一种大宗物料连续输送装置，皮带运输机依靠滚筒驱动皮带连续作业，保障了煤矿生产运输的连续性。在煤矿生产作业中常见的皮带机主要是固定式皮带输送机和可伸缩式皮带输送机，无论是哪种皮带机型号，其组成结构基本类似。煤矿皮带输送机的基本构成都是包括机头装卸部分、驱动装置、拉紧装置、皮带储放装置、托辊装置等，这些装置密切配合，使得皮带输送机高效运转起来。从皮带机故障类型来看，皮带机故障可划分成机械故障、电气故障、生产性故障等；从皮带机故障发生位置来看，皮带机故障可进一步精确到具体的设备故障，例如电机故障、滚筒故障、CST故障等。本文从皮带机故障本身分析，主要研究煤矿主运输皮带打滑、撕裂、跑偏、过载等问题，并对皮带故障智能诊断和保护系统进行了研究。

(2)煤矿皮带故障诊断分析

煤矿皮带故障诊断主要依靠信号自动控制系统来完成，该系统包括信号检测单元、信号处置分析、PLC控制单元、数字信号显示装置、报警系统和动作执行单元。不同于传统皮带机单一故障诊断的模式，采用嵌入式逻辑运算控制模块可以很大程度上提升皮带机故障诊断的自动化、智能化水平。就皮带机故障定性分析而言，将影响故障的各种原因通过树状图进行排列，针对可能影响皮带故障的事故原因采取预防性措施，建立起顶端事件到故障发生的基本事件集合，从而得到煤矿皮带机发生故障的准确原因。就煤矿运输皮带故障定量分析而言，皮带机各种故障包括打滑、撕裂、跑偏等问题，都可以通过皮带机转速、皮带有效载荷变化、电机电流等特征参数进行追溯，煤矿皮带机故障自动控制程序就是建立在上述参数随时间变化趋势的判断上。建立皮带故障信号关于皮带机转速、载荷、温度的多变量数学方程，当皮带机故障发生时必然伴随着各种特征因素变化，调用系统内逻辑算法可以实现故障的预判断，判断出皮带机故障后发出报警信号并通知PLC控制单元执行必要的皮带机保护动作，从而使煤矿主运输皮带重新回到正常工作状态。

2.煤矿运输皮带故障类型分析

(1)皮带打滑检测

皮带打滑是煤矿皮带机故障的主要形式之一，如果不能很好得处理皮带打滑问题，轻则导致皮带受到紧边拉力作用而变得松弛，重则导致皮带表面疲劳发生断裂。研究皮带打滑的物理过程可知，在皮带正常运转情况下，驱动拉伸力仅仅略大于皮带外周动力，此时皮带做匀速向前运动，当电机或拉紧装置负荷变化时，故障区皮带外周线速度突然发生改变，此时就会发生皮带打滑现象。煤矿皮带机打滑必然伴随着控制回路电信号的突变，可以在容易发生打滑的皮带尾轮上安装两个电磁感应板，将皮带机打滑故障转化成电信号显示，对比以往正常的电信号基准值，就可以很方便地查找皮带故障发生的位置。在皮带尾轮上安装打滑检测感应板需要特别注意，通常不要将两个电磁感应板布置在一条直线上，而是呈120°夹角，这样可以避免两个电磁感应板产生的电信号相互抵消的情况，减少皮带机打滑误报的可能。当检测模块发现皮带打滑后，至少有一个电磁感应模块能够检测到尾轮已停转，从而处置皮带打滑故障。

(2)皮带撕裂分析

煤矿皮带在运转过程中容易发生纵向撕裂现象，造成皮带端面撕裂的主要原因有：胶带材料弹性力不足，可承受的弹性张力不高；皮带跑偏和打滑导致驱动拉伸力远远大于皮带拉紧弹性张力；较大煤块或铁器卡住皮带或在胶带面产生侧向冲击力。上述这些因素都会造成皮带机前进速率出现瞬时下降，此时需要皮带电机输出更大的功率驱动电机运转。如果皮带设备被卡住，驱动皮带前进初始动能和电机功率远大于正常值，那么PLC控制系统就能诊断出皮带断裂面故障，从而发出安全预警。针对皮带断裂面故障发生的位置，可以在皮带的下料处安装一对低频电磁波发射和接收装置，作为皮带撕裂的有效检测工具。正常情况下，该对低频电磁波发射和接收装置，每隔一段时间能够检测到皮带数字量信号，显示皮带处于正常运转状态；当皮带界面发生撕裂后，电磁波接收装置没有传感信号，此时意味着煤矿主运输皮带可能在下煤口发生撕裂，要及时将主运输皮带发生停机信号。

(3)皮带跑偏分析

主运输皮带跑偏也是煤矿安全生产过程中比较常见的故障类型。皮带跑偏会造成煤矿正常生产诸多不利的影响，一方面，运输皮带跑偏会导致物料产生偏移正常传输方向的偏向力，导致煤炭物料向外部倾撒，影响煤炭输送效率；另一方面，皮带跑偏会加剧机架、托辊及皮带胶面的相互摩擦，导致皮带表面磨损加剧，很容易发生皮带纵向撕裂、局部剥离等事故。造成皮带发生跑偏的原因有很多，比如皮带左右两侧张力不平衡，皮带两侧长度不一，皮带截面受侧向外力影响等，这些都会打破皮带原本的受力平衡，导致皮带发生跑偏现象。为了解决皮带跑偏问题，可以从加强皮带跑偏诊断入手，在皮带机两侧安装跑偏纠正装置，及时纠正皮带偏离向量。将皮带跑偏开关安装在皮带轴两侧，借助皮带轴转动的类圆周运动，纠正超过设定角度的皮带偏转，在皮带机托辊下方按照一定顺序设置托辊方向校正装置，利用PLC自动控制元件实现对驱动滚筒、托辊组件的偏转量的精准调控，从而完成皮带跑偏的纠正工作。

(4)皮带温度检测

除了上述皮带故障类型，对煤矿主运输皮带温度的检测也是确保皮带安全稳定运行的重要因素。一般地，皮带局部温度过高使得橡胶皮带弹性模量下降，拉伸后恢复原来性状的能力变差，导致皮带橡胶材质老化速率变快，增加企业的消耗材料的成本。由于煤炭属于易燃介质，当在皮带上运输时皮带与煤矿摩擦生热，并且橡胶皮带的散热性能不佳，导致煤矿皮带机局部温度过高，如果不能及时将皮带上高温耗散，很容易引发皮带机着火事故。为了确保皮带机在正常温度区间稳定运行，引入皮带温度检测装置，有效防范皮带机火灾事故发生就显得十分必要。在皮带机两侧安装红外温度传感器，当检测到煤矿皮带机局部温度超过安全阈值时，皮带报警装置会亮起，同时将皮带局部高温通过A/D转换器将高温警报信号传递给喷水控制单元，触发皮带机消防装置向皮带及轮毂附属区域洒水，待皮带机降至正常温度后，终止向皮带高温区喷水，从而有效维护皮带机在正常温度下作业。

3.煤矿皮带故障智能保护系统研究

(1)皮带故障智能决策系统的结构

皮带故障智能决策系统是建立在海量信息融合的基础上，其核心是将传感器采集数据、人工搜集数据和系统历史数据作为基础，辅助以外部信息源组成案例库，通过复杂的逻辑运算将各种数据信息同数学模型进行检索、对比分析，从而找出具有普遍数理统计意义最可信的故障原因，实现对煤矿皮带故障智能决策分析。皮带故障智能决策系统的结构包括数据库平台、知识库系统、案例库系统、模型库系统和用户界面，详细组成见图1。皮带故障数据库平台主要负责多种数据搜集、分类和存储，为相关数理模型分析提供分析的基础。皮带知识库系统除了提供各种规则形式的知识，还掌握相关数据正反混合推理方法运用。案例库包含数理统计、预警分析等多个模块，并且能够将数据逻辑分析结构保存起来，不断丰富案例库的内容。用户界面可以实现人机交互式信息沟通，将根据条件筛选的对策通过文本、图形、表格等形式呈现。

图1 皮带故障智能决策系统的组成结构示意图

(2)皮带故障智能决策系统的处理流程

在皮带故障智能决策系统的基础上，依赖皮带机上多种传感器实时融合系统，可以高效地开启皮带故障智能处理过程。在煤矿主运输皮带机上有很多传感器，当传感器检测信号超过故障设定阈值时，智能保护系统能够根据系统部件状态、周围环境信息对检测特征参数进行综合判定，从而有效找寻皮带机故障的根源。皮带故障智能决策依赖问题类型及人机交互系统要求开展相关工作。在故障模式确定环节，对比当前皮带机故障，在系统故障库中依靠人工搜集数据、当前实测数据和系统历史数据进行综合推理分析，查找出准确反应当前故障的特征。在具体故障排查阶段，利用现有知识库检索符合故障特征的解决方案，并依据现有知识库系统判断对故障进行具体分析，并形成量化分析结论。对于不确定性的推理方案，可以结合以往皮带机故障典型案例，找寻皮带机故障解决方案的通用策略，为化解皮带机相似故障提供合理的处置手段。

(3)皮带故障信息融合技术

皮带故障智能诊断与保护系统的研究离不开配套技术的支持，信息融合技术则构成了皮带机故障决策的关键控制因素。当前皮带机故障决策支持系统主要是分散式结构和并行结构，前者利用各种传感器独自完成皮带机故障信号搜集，并初步进行故障类型判定，适用于单个传感器运行的故障分析模式；后者通过多个传感器共同参与皮带机故障的诊断，能够得到皮带故障较为完整的故障类型，适用于较为复杂的多传感器检测平台。按照皮带机故障信息融合程度的高低，融合技术可以分为数据层、特征层和决策层，三者对于数据依赖程度逐渐降低，对于故障判断灵活性逐渐提升。就皮带机故障信息融合技术的逻辑算法而言，目前主流的逻辑算法有加权平均算法、贝叶斯推理、D-S证据推理等，无论是依靠具体参数估算还是依靠特征推理，都是建立在数据库、知识库和典型案例库关联性的基础上，这样才能实现皮带机故障信息融合，提高皮带机故障诊断与保护的工作效率。

4.结束语

总之，煤矿主运输皮带安全稳定运行对于煤矿安全生产具有十分重要的意义，皮带机故障智能诊断与保护研究能够确保皮带更加高效的运行。煤矿皮带故障诊断应该建立在跑偏、打滑、撕裂等故障类型科学分析的基础上，依靠故障智能决策系统实现多种信息联通，借助实时数据、知识库和案例库等实现故障智能决策分析，运用信息融合技术提升皮带故障诊断的效率，从而不断做好煤矿皮带机设备故障诊断和保护工作。