煤矿带式输送机中智能化关键技术的应用

房伟

（枣庄矿业集团有限公司，枣庄 277000）

带式输送机是利用传送带作为承载与牵引构件，以运动输送带承载物料并连续输送物料的设备，广泛应用于冶金、煤炭、矿山、建材等领域。近年来，工业规模逐渐扩大，科学技术不断更新迭代，使得带式输送机向着高速度、多电机驱动、智能化的方向发展。面对恶劣的煤矿生产环境，考虑带式输送机系统较为复杂，需合理应用智能化技术，保证带式输送机的可靠性与安全性，从而满足煤矿生产运输需求。

1 煤矿带式输送机的工作原理

带式输送机利用摩擦力传输物料，可实现大倾角和连续化运输，整体设备效率高，无须人员操作，可自主完成运输任务。该设备包括联轴器、传动滚筒、改向滚筒等部分，如图1 所示。

图1 带式输送机结构

该带式输送机利用电机来驱动减速机、联轴器，借助设备和输送带间的摩擦提供持续向前的牵引力，由托辊承托，使用输送带循环运输物资。具体操作时，装载端负责填装物料，由传输带向卸载端传输物料，实现物料的连续传递[1]。日常运行时，滚筒上承受输送带施加的紧张力F1，压紧输送带、滚筒。停止运输后，保持输送带两侧的拉力F0相等，如图2（a）所示。当输送带正常运行时，滚筒与胶带间的摩擦力使一侧的拉力增大为F1，另一侧的拉力减小为F2，如图2（b）所示。

图2 输送带受力

输送带的有效拉力F的计算公式为

输送带停止运行时的拉力F0的计算公式为

将式（1）带入式（2）可得F1和F2的计算公式，即为

输送带的有效拉力F的计算公式还可以表示为

式中：P为传动功率；v为带速。滚筒接触弧的摩擦力之和即为有效拉力，摩擦力在一定条件下产生最大值，运输阻力超出最大值后会造成输送带打滑，出现安全隐患。

2 煤矿带式输送机的应用现状

煤矿带式输送机在运输过程中进行带状循环运动，利用滚珠与驱动装置的摩擦力控制传送速度，保证煤炭能够从一端向另一端匀速运输，减少人工作业，提升煤炭运输性能[2]。但是，带式输送机线路长、数量多，容易出现跑偏、水煤、断带等问题。

第一，驱动复杂，降低效率。煤炭生产过程中，以带式输送机为主要运输设备，多采取电动机与减速机配合的方式进行动力传输，在主驱动滚筒与减速机中间安装液力耦合器，增加了传动环节，导致传动效率降低。特别是过载、重载的情况下紧急停车后重启困难，原煤运输时，异步电动机负载率约为85%，通常不会满载运行，导致电费超标，浪费较多。

第二，安全隐患，制约生产。煤矿采掘面环境较为恶劣，为事故发生埋下隐患。带式输送机运行过程中，若机器尾部滚筒黏煤较多，会增加其直径，易出现输送带跑偏的情况，而且由于变坡点受力不均，煤炭容易掉落。如果滚筒沾水，将会触动输送带打滑保护，进而出现紧急停车，导致淤煤、煤被带入煤仓或漏煤眼等问题，产生涌仓现象，发生人员伤亡。然而，煤炭运输中缺乏针对输送带跑偏、淤煤等问题的防治措施。

第三，管控落后，反应缓慢。在带式输送机管控过程中，尽管使用信息技术实现了远程在线操作与监控功能，但无法为管理决策提供更多数据。例如，电动机是主要驱动装置，必须保证其安全运转，但由于信息化管理粗放，电动机故障频发，制约了煤炭生产。因此，需要对带式输送机做好数据管理，为生产决策提供高效、科学的数据支持。

面对煤炭带式输送机存在的问题，应当明确技术创新是设备升级的核心驱动力。在智能技术迅猛发展的背景下，应将更多数字化技术应用于带式输送机，提高其运行效率和稳定性[3]。例如，在带式输送机上安装传感器，配合数据分析技术，实时监控设备的工作状态，及时发现装置异常数据，分析潜在故障，避免直接停机。

3 智能化关键技术在煤矿带式输送机中的应用

3.1 机器人检测技术的应用

煤矿环境恶劣复杂，带式输送机容易出现故障，必须使用机器人进行巡检，取代人工检测，及时反馈设备缺陷，减少故障影响。巡检机器人的硬件及系统设计必须考虑煤矿的特殊环境，机器人应机动灵活、结构紧凑，可适应狭小、复杂的工作地形与空间，并满足煤矿防爆标准。机器人通过多功能模块组合，实现环境异常自主监测、诊断带式输送机故障以及数据采集和传输功能[4]。为全面监测带式输送机运输路线，准确判断环境及设备的情况，需优化机器人检测系统。优化后的机器人检测系统如图3 所示。

图3 机器人检测系统

在机器人系统中，各模块需协同作业，由巡检机构来牵引装置，使其移动至传输机上，由供能系统供电。同时，搭载温湿度、有害气体等传感器以及红外热像仪、声图采集器等，以采集运输机、巷道故障的参数。为确保检测高效、全面，需在移动机构上设置若干机器人，避免单一机器人因检测时间过长而无法及时传递信息。机器人采集数据后，借助通信系统传输数据，实现集中管控，完成数据显示、智能诊断、故障预警等操作[5]。

根据带式传输机的特点，机器人的检测路线长度不应超过3 km，最大运行坡度应小于20°，最大运动速度为1.5 m·s-1，续航能力应超过20 h，机器人本体质量应小于40 kg，且能够适应特殊环境，具有防锈、防爆、防尘的性能。在机器人检测系统中，以单片机为核心，以箱体结构作为机器人硬件搭载平台。箱体设计成圆柱形，选用5 mm 厚的铝合金制作而成，以增强表面强度。箱体面板上设置固定螺栓，与设备孔衔接，采取焊接、切割等方式连接各类机构，由系统驱动，沿输送机进行检测。同时，为避免牵引钢丝绳脱落，减少钢丝绳振动的影响，利用电气系统控制钢丝绳，防止出现欠速、过速、脱绳的情况。

3.2 实时监测诊断技术的应用

输送带作为带式输送机的核心部件，在运行过程中，由于尺寸、形状各异的煤炭反复摩擦，再加上负荷量不断变化，经常出现开裂、火灾、接头断开的情况，直接影响煤炭开采效率，损毁机械设备，甚至威胁人员的人身安全。实时监测设备能够远程监控传输带的情况，主要由控制器、辅助设备构成。其中，控制器包括报警模块、控制器、管理模块、配电控制装置，设置在防爆配电柜中；辅助设备包括扩音电话、急停装置、摄像头及信号采集器。工控机利用控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线连接各模块，借助Modbus-RTU 协议实现各单元回路的通信。整条设备沿线均铺设信号传输与设备信息管理装置，确保将信号及时传递给总控室。系统运行中，利用传感器采集信号并加以分析，将分析结果传输至人机交互界面，以监测带式输送机的运输环境及运行状态。如果发现疑似故障，则将故障信号传递至控制器。控制器能够从信号中分离出异常数据，完成故障识别，并自动显示故障位置与报警状态，给出维修方案。

第一，皮带撕裂。系统检测开关状态变化，采集缓冲托辊的压力数值，如果超出限值或防纵撕开关异常，表明可能有异物压迫皮带。当输送机的皮带被异物压迫时，缓冲托辊承受较大的压力；当系统检测到压力超出最大设定值后，将控制开关使输送机停机。

第二，皮带断带。在皮带不同位置进行检测，当传感器检测到带速不同、带速降低、拉紧力降低时，可结合运行逻辑判断皮带是否断裂。若判定皮带断裂则自动停机，禁止物料运输。

第三，皮带打滑。如果系统检测到皮带带速和滚筒线速存在不同步的情况，且驱动滚筒装置的温度不断提高，则可以结合张紧拉力判断皮带是否打滑。

第四，火灾识别。火灾发生时，温度升高、烟雾弥漫。传输机由于使用钢丝绳芯，具有一定的阻燃性，在温度超过260 ℃时会产生烟气，温度达到320 ℃时才会着火，同时会产生大量一氧化碳。因此，当系统检测到烟雾、温度、毒害气体异常时，可识别为火灾，打开喷淋机进行灭火。

3.3 集中式多机协同控制技术的应用

煤矿主煤流系统中，不同带式输送机重叠关系复杂，由于带式输送机需要独立运行，容易出现设备利用率低、干运转的情况，需利用集中式多机协同技术，通过协同控制器、负荷传感器等装置，采集煤仓输送量、运行状态、煤位等数据，并利用以太网传输数据，控制不同区域的带式输送机，具体内容如下。

第一，采集生产工作面。在采煤工作面安装煤量、煤质计量装置，采集煤量、煤质等数据，结合程序逻辑来确定生产动态，预测煤位、煤流变化关系，将数据上传至协同系统，优化煤流路径。

第二，主运皮带系统控制。将井下皮带控制系统纳入智能化平台中，利用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）采集数据，并将皮带运行状态数据传输至服务器，根据PLC 信号点数，显示运输系统给煤机、皮带、煤仓等的布局关系，实现远程启动、信号预警与远程停止功能。

第三，地面筛分系统。集中式协同控制系统将筛分系统、分煤器纳入平台，利用PLC 采集数据，并将信号传输至服务器，显示振动筛、煤仓、皮带的布局，实现远程信号打点、启停等操作。

第四，主井提升装载系统。升级主井提升和装载系统，利用PLC 采集数据，显示整体主井提升、装载信号，明确提升机、煤仓与装卸载设备的情况，准确判断煤仓，发送提升信号使主井提升机运行，并进行装载称重。

4 结语

煤矿带式输送机承担着运输原煤的任务，运行环境复杂，烟雾、粉尘等易对设备造成影响，进而阻碍煤矿开采进度。因此，煤矿带式输送机需合理应用机器人检测技术、实时监测诊断技术、集中式多机协同控制技术，实时监测、控制环境，自动调整机器的运行速度与输出功率，保证运行参数处于标准范围，从而提升煤炭带式输送机运行的稳定性。