矿用皮带输送机托辊运行监测技术研究

吴 琦

（山西汾西矿业集团有限责任公司营运分公司， 山西 介休 032000）

引言

带式输送机是矿井主要运输设备，托辊是承载输送带载荷的主要单元，由于带式输送机常处于高速、重载运行状态，从而导致托辊常出现故障[1-2]。托辊使用过程中常见故障类型有辊子卡死、轴承损坏等，上述故障与皮带输送机工作环境、粉尘及水分等进入到托辊轴承内部等有密切关联[3]。托辊发生故障后会导致托辊运行阻力增加甚至无法转动，随着托辊与输送皮带间摩擦时间增加，容易导致托辊温度增加，严重时会导致矿井火灾事故发生。实现对托辊运行状态监测对提高托辊运行可靠性具有重要意义[4-5]。现阶段对托辊常用监测技术手段保留有振动信号监测、人工巡检、托辊温度监测等方式，其中人工巡检具有工作量大、误检及漏检概率高等问题；温度及振动信号监测具有传感器布置数量多、结构复杂以及安装、后期维护工程量大等问题[6-7]。为此，文中提出一种托辊运行监测系统，该系统具备托辊监测以及自检功能，从而提高监测可靠性及精度，同时监测系统可对监测结果出现偏差的传感器进行定位，从而实现托辊故障快速定位。

1 工程概况

山西某矿为生产能力240 万t/ 年的现代化矿井，主要开采3 号、5 号、7 号、11 号等4 层煤，煤层赋存稳定，开采区内地质构造不发育，瓦斯含量较低。现阶段矿井主要开采5 号及7 号煤层，5 号煤层厚度均值4.5 m、7 号煤层厚度2.3 m，开采工作面均采用综合机械化开采工艺，开采的煤层经过采面运输巷带式输送机、采区运输巷带式输送机、煤仓、主斜井带式输送机等运输至地面配套选煤厂。

矿井使用的带式输送机具有运行效率高、运量大以及自动化程度高、便于操作等优点，具体结构见图1 所示。带式输送机两端分别为头轮以及尾部驱动轮，中间皮带采用托辊支撑。由于矿井带式输送机使用时间超过10 年，输送机负载较大以及长时间不间断运行，输送机托辊存在一定程度卡涩、卡死以及与皮带接触不良等故障，而采用人工巡检则存在作业劳动强度大的问题。为此，文中提出一种矿井皮带输送机托辊运行监测系统对托辊工作状态进行监测，从而为皮带输送机高效运行创造良好条件。

图1 皮带输送机结构图

2 托辊监测系统结构及监测方式

皮带输送机托辊运行监测系统结构由监测、接收两大功能模块组成，监测模块将监测到的数据以无线方式传输给接收模块；接收模块则通过有线传输方式与上位机进行数据交互。3 个监测模块为一组，2 个监测模块在输送机两侧倾斜布置，用以监测倾斜托辊，1 个监测模块用水平布置，以便于监测下部水平托辊，具体安装位置如图2 所示。

图2 监测模块安装示意图

监测模块关键组成为微处理器，微处理器可对测定的温度、压力等数据进行存储、分析，同时通过控制无线传输单元传输传感器监测数据。在监测模块中具体使用MSP430 控制芯片，该芯片具有能耗低、低电压等优点；无线通信射频发射芯片型号为nRF905，该芯片具有干扰能力强、能耗低等优点。具体监测模块结构如图3 所示。

图3 监测模块结构图

监测模块均内嵌到输送皮带上，随着皮带运转对托辊温度进行实时监测，从而实现周期性，快速地对托辊故障进行定位以及预警。监测模块结构包括无线收发单元、控制器、压力以及温度传感器等，其中控制器、无线收发单元内部芯片均为低能耗芯片；接收模块布置在输送机机头、机尾以及中部位置，接收模块收到的信息均传输至上位机。

3 监测控制程序

当监测模块、接收模块等开始正常工作后，控制器处于低能耗模式以便延长工作时间。当监测模块获取到压力中断信号同时获取温度传感器温度，并对此位置托辊进行编码，将托辊编码、温度等数值进行存储。当托辊编码计数达到设定值后，控制器经由SPI 接口向射频发射芯片nRF905 发出指令确保芯片处于活动模式，从而与接收模块间建立数据传输通道。具体系统监测控制程序流程如图4 所示。

图4 监测控制程序流程

4 托辊状态监测系统效果分析

在矿井主斜井皮带输送机上布置文中所述托辊状态监测系统。主斜井布置的皮带输送机型号为DTL100/80/4×315S，额定运行速度3.15 m/s，运输长度1 980 m、运量800 t/h、倾角12°。在皮带输送机上安装监测模块、接收模块、通信线缆，并在井口布置上位机对皮带输送机托辊运行进行监测。具体获取到的主斜井皮带输送机托辊运行监测结果如图5所示。

图5 托辊运行监测结果

从图中看出，监测系统不仅可远程设定托辊监测模块、接收模块运行参数，而且可实现托辊状态实时监测。由于皮带输送机上托辊数量较多，为便于显示在主控制界面上将主斜井皮带输送机托辊状态分为4 个区间段，每各区间段包含若干托辊，并循环对各个段内托辊状态监测结果进行显示。

5 结论

1）托辊是支撑皮带长距离、周期性往返运动的主要设备，托辊在受载荷、运行环境等多种因素影响下，容易出现各类故障，从而给皮带输送机正常运行带来制约。实现托辊运行监测可降低托辊故障影响，并及早发现托辊故障。

2）文中提出一种矿井皮带输送机托辊监测系统，该监测系统通过压力传感器实现托辊编号，温度传感器对托辊运行状态进行监测，并将监测结果以无线通信方式传输给接收模块，接收模块使用有线通信传输给上位机，从而实现对托辊温度的实时监测，当发现温度异常时可精准对托辊位置进行定位。

3）现场应用后，文中所提托辊监测系统可实现对托辊状态监测，监测结果传输效率高，系统故障发生率低，为后续皮带输送机无人值守以及智能化控制提供良好基础。