箕斗挂钩检测装置在提升系统中的应用

冷启龙，罗春泽，迟建龙，刘利波

（招金矿业股份有限公司，山东 招远 265400）

1 概述

1.1 问题的提出

招金矿业股份有限公司下属蚕庄金矿徐家疃矿区位于招远市蚕庄镇境内，眀主井箕斗负担将井下矿石、废石提升至地面的任务。该提升系统选用JKM4.5×6ZIII型多绳磨擦提升机，提升高度为797.5米，单提升容器为24立方米，采用底卸式双侧挂钩机械闭锁箕斗，目前在用箕斗自2014年4月开始使用至今，已累计运行1815天，提升重量达119.65万吨。因使用时间较长，运行中曾多次出现过因落石或箕斗机械闭锁装置旋转轴承磨损及箕斗箱体水平位移超标导致在出曲轨后不能准确复位、卡箕斗与个别导向轮松动移位甚至脱落等故障，给安全生产带来极大的风险。

1.2 原因及后果分析

经过工程技术人员连续不间断10余天跟班观察发现日常生产中，影响箕斗闭锁机构不到位有以下主要几种原因：

（1）箕斗导向轮固定螺栓因锈蚀或撞击导致导向轮变形或脱落。

（2）箕斗底部托轮短曲轨处由于长时间矿粉或矿石堆积导致卸载完毕后，不能按原路径返回完成与挂钩底板闭锁的动作。

（3）箕斗闭锁装置导轮磨损严重或轴承部位底盘变形使其旋转不灵活，卸载完毕导轮出曲轨后，未能完成卸矿舌板与斗箱闭锁。

（4）箕斗挂勾静态部分挂孔有小块矿石或结矿进入，使挂勾动态部分导轮出曲轨后静态动态相结合时，配重轮重力不能使动态挂勾将挂孔内矿石碾碎或砸出，长时间累积形成较硬块状。

（5）箕斗斗箱顶部主轴作为斗箱卸矿或复位时的支撑点，由于润滑不到位或矿粉进入，当磨损量超标时，亦会造成斗箱倾斜，致使舌板卸载完毕复位时难以准确与挂勾闭锁。

上述隐患中，极易形成重大设备事故的是箕斗机械闭锁装置失效（出曲轨后挂钩未能有效复位）挂钩没有挂住箱体，此时，如继续高速下放，箕斗挡板可能随时张开，造成斗箱倾斜，砸坏井筒内电缆、风水管路、钢梁等；还可能导致箕斗装矿后高速提升时受力变形张开致使矿石掉落于井筒中，使尾绳损伤或断裂；这种情况无论提升或下放，提升机在高速运动过程中，箕斗都将与井筒设施撞击，提升机电控系统瞬间产生巨大电流冲击主电机和传动系统造成重大事故。除此之外，近年来，随着该箕斗使用年限的迫近，与箕斗运行相关的机械部分因磨损腐蚀等原因带来的故障现象和影响生产时间越来越多，凡此种种，在日常生产中都有着突发性、随机性，如果不能及时发现及时解决一旦形成事故，都将对安全生产造成不可估量的损失。

1.3 以往解决方案的缺陷

为避免上述情况导致生产事故，近年来，各矿企陆续采用在相应部位安装光电开关、磁控开关、麦克风甚至摄像头专人观察等对策，但由于误差过大，恶劣环境影响，极易损坏，维护量过大和成因的不确定性，经常导致漏判或误判，效果不甚理想。

1.4 我们的对策

公司领导和相关部门非常重视这个情况，除安排备件紧急订货和加强日常点检维护外，也审时度势考察以监测监控设备作为辅助手段，加强因备件交货期原因造成的空档期监护，以杜绝事故发生。希望有一款智能型装备能够替代人工完成对箕斗闭锁装置进行非接触在线实时直接监测，也就是当两侧挂钩插入深度未达到容忍度或卡箕斗时立即报警（可接入安全回路）；该装备同时还能间接分析出箕斗在卸矿出曲轨后，导向轮、卸矿轮的运行姿态以及箕斗机械闭锁装置的旋转轴承磨损和箕斗挡板上下转轴与轴套的磨损程度。经过认真考察，决定与招远市物华机电设备有限公司联合研发基于人工智能技术的提升机箕斗机械闭锁装置智能分析系统，为更换备件前的安全生产保驾护航。

2 系统技术背景与特点简述

机器视觉是一门涉及诸多领域的新兴学科，涵盖新兴物理学、计算机科学、人工智能、神经生物学、图像处理和模式识别等内容。它利用物理机器模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取有用信息，加以处理和理解，最后用于工程测量和控制。

传统意义上的工业机器视觉系统由照明光源、光学成像和图片捕捉系统、图像处理模块、决策判断系统和机电执行机构组成。

（1）当箕斗机械闭锁装置运动到接近拍摄视野中心时，传感器向图像采集控制部分发送信号（触发脉冲）。

（2）图像采集控制部分根据控制程序，在指定的区间分别向相机、照明系统和防尘机械臂发出启动脉冲。

（3）其中一个启动脉冲使相机停止目前的扫描，打开曝光机构或事先在程序中设定曝光时间，然后，重新开始新一帧的扫描并输出。

（4）将采集的箕斗运动图像上传并存储到工控机内存中。

（5）工控机程序实时地对图像进行处理、分析和识别，并输出检测结果。

由于本现场箕斗卸矿后下放时，发生较大的抖动和运动轨迹偏离、日夜环境背景光源或水雾粉尘带来的影响使分析结果发生急剧变化，以及箕斗机械闭锁装置本体水渍严重等诸多因素使得目前所有机器视觉算法在此失灵，调试过程中多次出现误判、漏判。为此，双方工程技术人员发明了单相机加激光传感器，分时多特征点复目匹配和自定义双坐标修光纠偏除水渍的剑水蚤算法及由防石防尘帽与风筒组成使箕斗下放时产生相对气流吹散粉矿的除尘装置（目前上述算法和装置正在申请国家发明专利），此外，现场洒水、漏矿还导致不足8小时内工业相机镜头即表面污损过多，无法正常判断，为防止漏矿、落石堵塞机械闭锁静止部分挂孔，为此双方工程技术人员创新研发了防尘机械臂和斗箱防护帽、溜矿槽（目前上述两种装置正在申请国家实用新型专利），以上述四种专利有机结合成本型提升机箕斗机械闭锁装置智能分析系统集成，速度快、信息量大、功能多，抗干扰能力强，不受现场环境、不受箕斗运行速度、斗箱晃动影响，与环境光无关，与被检测物体沾水、沾矿粉、泥沙无关。经过近半年的投用，完全取得了预期效果。

3 系统主要部分组成

系统主要由6部分组成，包括数字图像处理系统（专用算法软件）、光学成像与光源照明系统、传感器与数字视频系统、DSP自动化控制系统、故障记录与图像保存查询系统、光纤传导与PLC处理系统。

4 功能介绍

本系统可在创建模型时采用两种新发明算法设定箕斗机械闭锁装置缝隙啮合程度，利用工业相机获得缝隙的图像，通过图像处理，可快速准确地提取缝隙尺寸，并由工控机辅助评判系统给出监测结论，亦可设定允许斗箱发生水平位移幅度，在线监测时，如有超标，系统可通过软件智能分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类故障并在机柜显示屏与操作台信息提示屏做出相应提示，以便操作人员进行故障查询和故障复位。

（1）允许挂钩挂好程度、水平位移程度均可设定（例：4cm高度挂钩允许1.5～2cm轻微未挂好，6.5cm宽度水平位移允许2～3cm轻微横向位移）。

（2）创建模型一键式设定简单易操作，现场人员可轻松掌握，且模型只需创建一次，完成一次后无论现场断电或通讯故障，将故障复位后都可继续投用，无须重新创建。

（3）具备完整的“声光+语音报警”及“故障分析与处理对策”体系，将故障分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，且伴随相应故障语音提示加声光报警。

Ⅰ类故障：两侧挂钩均未挂好。

Ⅰ类故障：卡箕斗。

Ⅰ类故障：属重故障，需立即实施安全制动，发生后卷扬机工需立即停车，停车后相关人员可按触摸屏常见故障分析及处理对策来检查与维修。

Ⅱ类故障：单侧挂钩未挂好。

Ⅱ类故障：属较重故障，若无连续发生则允许本次提升完毕后停车检查。

Ⅲ类故障：箕斗位移。

Ⅲ类故障：属轻故障，若有连续发生则本班人员可按故障提示单元处理对策留意观察。

各类故障均可选择性投入卷扬机安全回路（例：Ⅰ类故障自动停车；Ⅱ类、Ⅲ类仅提示，不参与停车）。

（4）历史报警记录可追溯最多100天，记录历史报警的年/月/日/时/分/秒，及故障类型、内容，同时将箕斗挂钩报警时的形态以图片形式留存至硬盘里以便查询。

（5）现场具备外网或WIFI前提下，在手机端下载云APP，可随时随地监控现场实时运行状态，历史故障记录。

（6）适配光电传感器在相应位置监测是否在卸矿后下放中卡箕斗。

5 应用效果

该系统自2019年5月投用至今，共捕捉到箕斗两侧挂钩均未能复位6次，单侧未能复位25次，箕斗箱体水平位移超标数百次，分析出导向轮松动故障3次，单只脱落故障1次，准确率100%。

这是我国首套基于机器视觉技术的提升机箕斗机械闭锁装置智能分析系统，该系统的成功研发投用开辟了人工智能技术在同等场所应用的先河，弥补了同类设备非接触式实时在线监测的空白，在避免重特大设备事故发生的同时，也为应急抢修和日常检修计划的制订提供了有针对性的可靠依据。

6 结语

该装置不仅能够准确地分辨出箕斗挂钩状态，还能监测箕斗导轮进入曲轨的状态，同时，也对箕斗底板密封漏料情况进行观察，及时掌握箕斗底板密封情况以便于合理安排检修时间。

通过应用对比可以看出，基于机器视觉技术的提升机箕斗机械闭锁装置智能分析系统，由于其智能化处理、速度快、精度高、稳定性好等诸多优点而成为在该场所应用的最佳选择，对同类设备的安全生产有着极为重要的现实意义，兼顾了经济效益和社会效益，完全可在矿山箕斗提升系统中推广应用。