自动化监测技术在矿用设备安全防护中的应用

凌佳韵

（西南交通大学，四川成都 614203）

1 浓密机安全防护的重要性

浓密机是重要的矿石加工及清洗设施，是选矿过程中的核心设备。除了选矿领域，其在污水处理、冶金、化工等需要固液分离的领域也有广泛应用。浓密机是一种大型矿用设备，其直径一般为3～100 m，目前最大直径已经达到180 m，因此其安全性极为重要。

浓密机工作原理是借助于固体颗粒自身重力，使矿浆分为低浓度和高浓度两个部分，这个过程即为浓缩过程。由于给矿量和排矿量随时发生变化，浓缩过程浓密机受力状态也随时变化。由于工作过程中其内部情况不便直接观察，有很大隐蔽性。浓密机的材料多数为钢材，其破坏形式往往是塑性或屈服破坏，是一个发展的过程，存在可识别的破坏征兆及破坏趋势。如果可以在结构安全事故发生前发现识别故障征兆，并及时进行处理，就可以避免事故的发生。因此，浓密机的安全监控，特别是工作过程的安全监控尤为重要。

2 自动化监测技术概述

自动化监测技术是20 世纪60 年代新兴的一种全新的结构安全防护手段，其特点是数据采集自动化、数据处理自动化、数据分析自动化。其实施流程是通过传感器采集敏感物理量，对采集到的物理量进行信号转化和传输，再通过无线网络传输到云端，最终呈现为可视化的数据，使得技术人员可以方便地在PC 端、手机端实时查看数据。如果数据发生异常，自动监测系统会第一时间预警，同时系统可以对采集的数据进行统计、分析，判断结构物本身的安全情况及发展趋势。随着物联网、大数据、信息化的高速发展，自动化监测技术的主要特点是去人力、全天候、不受复杂环境制约、数据实施收集、异常情况第一时间发现并发出预警，其实施架构如图1 所示。

图1 自动化监测系统架构

由图1 可知，自动化监测全程避免了人为参与，保证了复杂环境下人员的安全问题。数据采集主要是由传感器完成，整个过程不受时空影响，可以全天候、全周期、无间断地实现数据采集[1]。数据传输由传输单元完成，保证了数据的及时性。数据存储和展现由监测平台实现，减少了人为因素，特别是经验误判的影响，数据统计的效率也因为平台强大的数据处理功能得以大大提高，并可以通过对海量数据的统计及分析预判安全趋势，挖掘破坏规律[2-3]。

3 自动化监测技术在浓密机安全防护中的应用

某浓密机直径11 m，深度15.445 m，具体构造如图2 所示。浓密机支腿采用HM600×300 工字钢，主梁采用双拼63a 工字钢，上侧壁为10 mm 厚钢板，锥体部分为16 mm 钢板，下侧壁为25 mm 钢板。支腿钢材为Q235，侧壁钢材为Q345b。根据钢结构设计规范，Q345b 钢材抗拉强度为450～630 MPa；钢板厚度小于等于16 mm 时，屈服强度为345 MPa，厚度为16～40 mm时屈服强度为335 MPa。

图2 浓密机构造

由于浓密机的工作重心较高、工作周期较长，选矿工作日夜进行，受现场地质条件限制，虽然基础做了大面积强化加固处理，但目测仍有局部的细微沉陷，现场不方便设置观测站。且距离项目部较远，所处位置交通不便，故现场管理人员研究后决定采用自动化监测手段，对其受力及变形情况进行全天候监控。

本文采用了知物云综合监测系统，在监测过程中遵循实用性、可靠性及经济性的原则，监测因素选取应变、挠度两种作为主要安全评价指标，以判断浓密机的安全性。整个监测系统由22 个应力应变计、11 个静力水准仪、2 个数据采集模块、4 个数据传输模块组成。传感器布置点位按照结构最不利位置考虑，主要布置在侧壁、椎体及支腿3 个主要最不利受力点处。

此处为说明问题，只选取应变结果进行分析，分别选取直径变化处及椎体底部两个侧壁点位以及支腿一个点位监测的结果，其应变监测数据如图3 所示。

图3 侧壁及支腿应力监测时程曲线

由应变监测结果可以看出，由于外荷载一致，所以三者变化趋势基本一致。其中支腿应变相对较小，侧壁变截面处应变和椎体底部应变较大，最大的为椎体底部，即浓密机的压缩区应力最大、直径变化处的沉降区次之，监测结果和浓密机实际工作情况吻合。此处应变单位为102，可知实测最大应力分别为：

为判断监测的准确性，同步对浓密机进行了理论计算分析建立有限元模型（图4），得到椎体及支腿的刚度结果如图5、图6 所示。

图4 浓密机有限元模型

图5 浓密机侧壁及椎体钢板应力

图6 浓密机支腿应力

由图5 可知，侧壁理论最大拉应力为313.8 MPa；由图6 可知，支腿理论最大压应力为53.2 MPa。实测结果及理论计算结果对比见表1。

表1 实测与理论结果对比

由表1 的对比结果可知，对应点位的实测结果普遍小于理论计算结果，存在偏差的原因是因为理论计算结果荷载取值、计算系数一般偏保守。另外，理论计算过程做了较多的假设，如支腿按照固结考虑、构件之间未考虑铰接因素、焊缝按照理想化处理等，这些因素均会导致结构过刚，从而导致理论计算结果和实际测量结果产生一定误差。但由对比结果可知，两者偏离度较小且均满足规范要求。

自动化监测是全天候监测，产生的数据为线性数据，与现场人员观测的点状数据相比，不会漏掉任何的突发情况，充分保障全作业过程的安全。根据线性数据可以对被观测对象的发展趋势做出判断，有效发现识别事故征兆，使安全事故防患于未然[4]。

如果有突发状况引起数据剧烈变化，系统将按照设置的预警阈值第一时间发出预警，并通过短信等形式及时通知现场人员第一时间采取补救措施。

4 结束语

在浓密机的安全防护工作中应用自动化监测技术可以去人力、降成本、大大减低人为参与、避免时空制约，有效解决了复杂环境中人员的安全问题，并减少了人员经验误判以及肉眼观测引起的误差。人员参与的降低大大减少了投入成本。自动化监测系统实现了被测对象全天候、全作业周期的监测，不仅可以保证所有突发状况被及时捕捉并发出预警，还可以通过对数据趋势的变化预判未来一段时间的发展趋势，从而做到防患于未然。

浓密机内部工作情况很难可视化，但其结构本身所受外荷载作用变化区间较大，工作时间全天候，使得人工检测的困难较大。应用自动化监测技术可以容易地克服上述困难，且准确性和可行性有充分保障，所以自动化监测技术可以在浓密机的安全防护工作中推广应用。

由于自动化监测依然属于新兴事物，在高速发展的同时也存在一些问题，对未来自动化监测技术的发展有如下建议：①加强数据利用研究[5-6]。自动化监测会采集到海量数据，但目前做多的还是极值判断，对数据的利用率极低，充分挖掘数据并做出趋势判断，对海量数据进行规律研究，是接下来研究的重点；②建立、健全相关标准及规范。由于自动化监测技术尚处于发展初期，尽管优势明显，但因为监测样本不足，对应的行业规范或者行业标准目前还比较少[7]，大家对安全的评价标准差异较大，尽快形成行业规范[8]，将会大大推动自动化监测技术的健康快速发展。