0 引言

作为煤矿生产系统的关键运输设备，带式输送机广泛应用于煤炭采掘、生产、转运和加工过程[1-2]。与其他运输设备及输送形式相比，带式输送机具有连续运输量大、运载能力强、可实现较长或超长距离连续运输、运行效率高、工作环境适应性好、易于实现自动控制等优点[3-5]。确保带式输送机连续不间断、安全、正常工作，是煤炭开采、加工等工作的重要保障。然而，由于煤炭开采及运输环境的恶劣程度和复杂性，以及带式输送机工作的不间断性等条件因素，在实际生产过程中，带式输送机经常发生故障，轻则影响煤炭开采运输的正常运行，重则伤及煤矿工人的生命安全[6-8]。对带式输送机工作状态进行实时监控和保护变得尤为重要。

曹剑等[9]根据《煤矿安全规程》第373条规定，结合多年煤矿大型带式输送机现场维护经验,简单分析了矿用带式输送机“六大保护”的作用、安装及重要性。杨清翔等[10]针对煤矿带式输送机故障种类繁多且各征兆存在交叉的问题，提出了一种煤矿带式输送机故障诊断方法，采用粗糙集与神经网络相结合的故障诊断技术，将约简的相应测试征兆属性样本输入训练好的网络进行故障诊断，从而判别出相应故障。王建勋[11]分析了常见的煤矿输送带传输故障及其原因，总结了目前针对煤矿输送带常见传输故障的监测技术及其存在的主要问题，提出了一种基于机器视觉技术的煤矿输送带传输智能监测及预警系统。

基于带式输送机存在诸多故障的可能，若只依靠人工巡视和监测，劳动强度大，且可靠性和发现问题的及时性差，因此设计一种可以自动监测带式输送机运行状况的巡检机器人具有重要的现实意义[12]。陆文涛等[13]针对煤矿井下带式输送机出现事故时无法及时发现的问题，设计并研制了一种矿用带式输送机巡检机器人系统，为带式输送机安全生产提供了保障。但该系统采用相机监测带式输送机故障，监测结果受光照及天气影响较大，可靠性较低。

本文针对带式输送机常见的输送带和托辊故障，设计了一种集成传感、控制及通信功能的带式输送机故障巡检机器人系统，可实现对带式输送机多种常见故障的检测。

1 带式输送机常见故障类型及原因

通过大量数据分析和经验总结可知，带式输送机常见故障多发生在输送带和托辊上。

1.1 输送带故障

经煤矿实地调查得知，带式输送机输送带故障中超过95%为横向断裂、纵向撕裂、跑偏、打滑和堆煤。

(1) 输送带横向断裂。煤矿带式输送机运输距离较长，所有的输送带必须连接成环形，输送带接头常采用机械卡口固定接头法或热硫化接头法。由于输送带接头强度较低，且易损坏，所以接头通常是整条输送带最薄弱的部分。输送带横向断裂大多发生在接头处。输送带机械卡口变形或硫化接头强度太低、工艺不合格、质量不过关或磨损过于严重，都可导致输送带横向断裂事故的发生，主要原因是输送带横截面受到不均匀外力作用，同时张力超过极限范围，使输送带瞬时张力为零。

(2) 输送带纵向撕裂。纵向撕裂是指输送带局部受力不均导致输送带在纵向出现破损的情况。由于输送带运送的原煤中会夹杂带有尖锐棱角的大块异物，非常容易划伤进而刺穿输送带。特别是在落料口和转运直角附近，来煤中的异物在下落过程中容易被卡阻在导煤槽挡板、托辊架等位置，同时受到正在运动中的输送带带动的力量，异物将愈卡愈紧，最终穿透和撕裂输送带，甚至引发断带事故。约80%的输送带纵向撕裂事故发生于落料口，应重点对机尾落料口进行监测。

(3) 输送带跑偏。跑偏是指输送带运行方向中心线偏离带式输送机固有中心线的现象，极易引起运输的物料沿跑偏反方向洒落和输送带局部边缘磨损，还可能引发输送带打滑、撕裂等故障。作用于输送带的合力方向偏离标定输送带中心线方向是导致输送带跑偏的本质原因。

(4) 输送带打滑。打滑是指驱动滚筒与输送带运转速度不匹配而出现的异常相对运动。输送带一旦打滑，不仅会使带式输送机因传动力不足而失效，还可能造成输送带因长时间摩擦而使温度升高并超过极限，从而引发火灾。另外，打滑还会导致输送带严重磨损、受到较强冲击后疲劳断裂、下坡段“飞车”等事故。引起输送带打滑的主要原因是输送带与滚筒作用点的张力过小，无法提供足够的动力。

(5) 堆煤。当毛煤含水量大于20%时，煤水混合物呈现为黏稠状态的两相流体，俗称水煤。输送带运输过程中，由于水煤与输送带之间摩擦力比较小，同时其受自身重力影响，容易堆积到带式输送机机尾。另外，粒度为0～5 mm的碎煤因流动性较强，在自身重力作用下容易堆积在带式输送机机尾，导致碎煤堆积事故。

1.2 托辊故障

带式输送机托辊故障类型主要为严重磨损和转动卡死。严重磨损会导致局部发热和摩擦噪音；当托辊出现转动卡死时，托辊与输送带之间会发生相对滑动，同样会产生局部发热现象。

2 带式输送机故障巡检机器人系统设计

带式输送机故障巡检机器人系统由驱动系统、传动系统、配重系统、巡检机器人本体等组成，如图1所示。

图1 带式输送机故障巡检机器人系统组成
Fig.1 Composition of fault inspection robot system for belt conveyor

驱动系统采用防爆电动机，驱动巡检机器人在带式输送机正上方布置的钢丝绳上往复运动，监测带式输送机的工作状态。传动传统采用二级锥齿轮传动，将防爆电动机的动力传递到驱动绳轮上。配重系统对驱动系统和传动系统的偏重进行平衡，以使巡检机器人在钢丝绳上平衡稳定地往复巡检。巡检机器人本体是实现巡检工作的主体装置，其内置传感、控制和通信系统。传感系统用于检测带式输送机各种故障；控制系统包括上位机和下位机，其主要对带式输送机的工作状态、传感器检测数据等信息进行处理，然后控制驱动系统启停；通信系统采用无线通信方案，将巡检机器人与带式输送机主控制室的信息进行互联，实现实时信息传输。

3 系统传感器选定

巡检机器人的核心元器件为传感器。基于对带式输送机故障的分析和总结，系统选定如下传感器。

(1) 激光雷达。激光雷达具有较高的分辨率，抗干扰能力强，获取的信息量丰富，且可全天时工作，工作不受外界环境的光照、天气状况等影响，对检测输送带跑偏、打滑、堆煤故障有良好的效果，同时对横向断裂、纵向撕裂故障有一定的识别作用。

(2) 单目相机。当输送带发生轻微横向断裂或纵向撕裂且可以正常工作时，很难通过激光雷达检测处于运煤状态的带式输送机潜在故障，因此在带式输送机机尾落料口处配备单目相机进行带面检测，以及时发现输送带潜在的横向断裂或纵向撕裂故障。

(3) 烟雾传感器。因输送带打滑时易引起温升过高而产生燃煤事故，必须配备烟雾传感器，提前检测并防范燃煤事故。

(4) 声音传感器。当托辊故障摩擦严重时，带式输送机的工作噪音比正常状态大很多，采用声音传感器能够较便捷地检测出该故障。

(5) 温度传感器。托辊磨损与输送带打滑都会导致带式输送机零部件工作温度超过正常范围，需配备温度传感器进行检测。

4 故障检测算法设计

4.1 输送带横向断裂及纵向撕裂故障检测

输送带横向断裂及纵向撕裂故障检测算法流程如图2所示。首先采集和分析激光雷达扫描的带面激光点云数据和布置在带式输送机机尾处的单目相机拍摄的带面图像数据，然后进行数据融合，当融合结果满足输送带横向断裂或纵向撕裂阈值条件时，系统发出报警信号，提醒检修人员进行维修或更换，同时带式输送机停止运行。

图2 输送带横向断裂、纵向撕裂故障检测算法流程
Fig.2 Fault detection algorithm flow of transverse fracture, longitudinal tearing of conveying belt

4.2 输送带打滑、跑偏故障检测

输送带打滑、跑偏故障检测算法流程如图3所示。其中打滑故障有3种检测方式：① 烟雾传感器检测带式输送机的工作烟雾信息，当检测数据达到设定的报警阈值时，判断输送带发生打滑。② 输送带发生打滑时，会导致输送带与托辊之间的接触部分温度上升，当温度传感器检测值达到上界温度阈值时，发出报警信号。③ 根据激光雷达点云数据，结合巡检机器人运行速度与带式输送机驱动电动机转速，检测输送带打滑故障。

图3 输送带打滑、跑偏故障检测算法流程
Fig.3 Fault detection algorithm flow of slipping and running deviation of conveying belt

采用激光雷达检测输送带打滑故障的原理如图4所示。设t1-t2时刻激光雷达检测到的指定煤堆的移动距离为l，则输送带平均运行速度为

(1)

图4 激光雷达检测输送带打滑故障原理
Fig.4 Fault detection principle of conveying belt slipping by laser radar

设v0为带式输送机电动机驱动输送带的平均运行速度，则当v<v0时可判断输送带发生打滑故障。

输送带跑偏故障检测通过对激光雷达点云数据进行处理和分析实现。首先根据点云数据，提取输送带托架两外侧边缘，将两外侧边缘的中心线作为理想输送带中心线；然后提取实际的输送带外侧边缘1和边缘2，根据外侧边缘1和边缘2计算得到输送带边缘检测中心线，当边缘检测中心线与理想输送带中心线的夹角α在±6°范围内时，认为输送带无跑偏，当α>6°(设输送带左偏的夹角为正)时报警显示输送带左偏，当α<-6°时报警显示输送带右偏，如图5所示。

4.3 堆煤故障检测

堆煤故障检测原理如图6所示。从激光雷达点云数据中提取实际煤堆的外廓边缘，然后与正常煤堆边缘数据进行对比，若实际检测的煤堆边缘轮廓大大超出正常值，则系统报警。

4.4 托辊磨损与卡死故障检测

托辊磨损与卡死故障检测原理与输送带打滑故障检测原理类似，通过声音传感器与温度传感器检测托辊严重磨损和转动卡死时的噪音和发热现象实现。

5 系统软件设计

(a) 输送带左偏

(b) 输送带右偏

图5 激光雷达检测输送带跑偏故障原理
Fig.5 Fault detection principle of running deviation of conveying belt by laser radar

(a) 堆煤故障检测算法流程

(b) 煤堆外轮廓边缘检测

图6 堆煤故障检测原理
Fig.6 Fault detection principle of coal pilling

带式输送机故障巡检机器人系统采用上位机进行数据分析、下位机进行报警与启停控制的软件设计方式，如图7所示。下位机采用PLC；上位机采用工控机，对传感器采集的数据进行分析处理，将分析结果与故障判定参考数据库对比，从而判断故障类型，并将判断结果发送给PLC进行相应控制。

图7 系统软件流程
Fig.7 System software flow

6 结语

基于带式输送机常见故障类型及其原因的分析，设计了一种集传感、控制及通信功能的带式输送机故障巡检机器人系统，针对不同故障提出了相应的传感器及检测算法。该系统通过对传感器数据进行分析处理，并将分析结果与故障判定参考数据库对比，判定是否发生故障并进行相应控制，对提高故障检测效率和可靠性、减小故障损失、减轻工人劳动强度具有现实意义。

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