CN101975083A - 一种带式输送机托辊故障监测系统 - Google Patents

Abstract

一种带式输送机托辊故障监测系统，主要由传感器、移动传感器的机械装置、通讯分站等部分组成。传感器由电源模块、数据采集模块、控制器模块、通信模块四个模块组成，其中数据采集模块的敏感元件为单方向型的驻极体传声器。机械装置由同步带、两端的同步带轮、中间的支撑轮与张紧轮组成。通过机械装置的运转，将固定在同步带上的传感器移动到带式输送机的任意托辊位置旁。传感器采集托辊旋转产生的声音等信号，进行数据处理与故障信号的提取，将故障诊断结果发送给通讯分站，并通过光纤网络传送至监控室。本发明特别适用于对煤矿井下带式输送机的自动巡检，及时发现托辊的异常工况，保障煤矿的正常生产。

Description

一种带式输送机托辊故障监测系统

技术领域

本发明涉及一种带式输送机托辊故障监测技术，特别涉及一种煤矿井下带式输送机的托辊故障监测技术。

背景技术

当前，带式输送机广泛应用于我国井下煤矿的运输环节，是井下煤矿运输的主要设备。而托辊是决定带式输送机使用效果(特别是胶带使用寿命)的最重要部件之一。但托辊在运行过程中会出现各种不同的异常工况，如托辊轴承失效、辊子运转不良、辊子表面粘附粉尘、托辊架螺栓松动等等，轻则使输送机胶带跑偏，重则直接导致输送机无法工作。现阶段国内带式输送机托辊故障检测自动化程度较低，主要依靠煤矿工作人员的定期人工巡检，通过人工侦听托辊在运行过程中的声音来判断是否存在故障。由于井下工作环境恶劣，同时输送机的托辊数量庞大，导致定期人工巡检的劳动强度非常大，而且由于托辊异常工况有时无法及时发现，会对煤矿的正常生产造成直接影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带式输送机托辊故障监测系统，实现对煤矿井下带式输送机托辊故障的自动监测功能。

为此，本发明采用以下技术方案：它设有传感器与移动所述传感器的机械装置；所述机械装置设置在带式输送机旁；所述机械装置包括同步带、两端的同步带轮、中间的支撑轮、张紧轮；所述同步带与带式输送机胶带平行；所述同步带轮由带控制器的步进电机来驱动；所述传感器固定在所述同步带上。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用或组合采用以下进一步的技术方案：

所述传感器由电源模块、数据采集模块、控制器模块、通信模块四个模块组成；所述数据采集模块采集托辊在工作时所发出的声音并转换为声音信号；所述控制器模块进行数据处理与从所述声音信号中提取故障噪音信号；所述通信模块将故障诊断结果发送给通讯分站。在本发明作为矿井井下带式输送机托辊故障监测系统时，所述通讯分站为井下通讯分站。

所述传感器的数据采集模块包含驻极体传声器、前置放大器、放大与滤波电路；所述驻极体传声器是单方向型的声音信号敏感元件，工作时的方向对准带式输送机的托辊。所述传感器的数据采集模块的敏感元件，在包含驻极体传声器的同时，还可以包含声发射检测敏感元件或非接触式温度检测敏感元件或声发射检测敏感元件和非接触式温度检测敏感元件的组合。

所述传感器为无线传感器或有线传感器。若采用无线传感器，则其通信模块采用RFID通信方式与通讯分站进行数据传输连接。若采用有线传感器，则其通信模块通过信号线与通讯分站进行数据传输连接。通讯分站与光纤网络进行数据传输连接，通过光纤网络把故障诊断结果传送至地面监控室，通知工作人员采取必要的措施。

本发明设计的移动所述传感器的机械装置能进行间隙式运转，即：在传感器到达带式输送机托辊旁时机械装置暂停，在暂停后机械装置继续运转。上述间隙式运转功能，主要由带控制器的步进电机来驱动的同步带轮来实现。步进电机通过控制器控制输入脉冲频率的大小来控制步进电机转数，故采用定时器中断的方式，通过设置定时器中断时间，在每个中断服务子程序中给步进电机输入脉冲，即可控制步进电机的转数，从而控制所述机械装置进行间隙式运转，实现传感器的移动距离与位置的控制；同时可以设置一个定时时间来控制传感器在某个托辊旁停留的时间。当传感器移动到某托辊的旁边时，停留固定的时间，采集托辊声音信号，然后再移动到下一个托辊旁并采集声音信号。由于步进电机可以达到很高的控制精度，因此可以准确移动传感器到任何一个托辊位置旁。待传感器移动到机械装置的末端后，步进电机反向运转，使同步带及其上面的传感器反向运动，如此往复运动，实现对带式输送机托辊故障进行自动连续巡检的功能。

本发明的主要工作流程是：被固定在同步带上的传感器在移动到某个托辊旁时暂停移动，识别该托辊工作时的声音信号，同时对该声音信号进行数据的分析和处理，并发送故障诊断信号给通讯分站；暂停移动的时间结束后，传感器被移动到下一个托辊的位置，识别该托辊的声音信号并进行相同的处理。当传感器的位置处于两个托辊之间时，可不采集托辊的声音信号。当传感器移动到机械装置两端的时候，反向移动。传感器通过如此周而复始的运动，对带式输送机上的每个托辊进行故障检测，实现对煤矿井下带式输送机的自动巡检，及时发现托辊的异常工况，保障煤矿的正常生产。

附图说明

图1为带式输送机托辊故障监测系统的结构示意图。

图2为同步带与带式输送机胶带的俯视图。

图3为无线传感器的结构框图。

图4为无线传感器的硬件组成示意图。

图中标号分别表示如下：1、同步带，2、同步带轮，3、张紧轮，4、支撑轮，5、支架，6、无线传感器，7、井下通讯分站，8、井下光纤网络，9、带式输送机胶带，10、带式输送机托辊。

具体实施方式

本发明的具体实施方式，针对煤矿井下带式输送机，同时以所配置的传感器选用无线传感器为例，进行具体说明。

如图1与图2所示，本发明设有无线传感器6与移动所述传感器的机械装置，所述机械装置平行设置在带式输送机旁，机械装置的工作电源采用井下变电站的电源供电；带式输送机胶带9下有多组的带式输送机托辊10，各托辊与胶带移动方向垂直，用来支撑输送带和物料重量；所述无线传感器6的移动方向与带式输送机胶带9的输送方向平行；所述机械装置能进行间隙式运转，所述间隙式运转是指在无线传感器6到达带式输送机托辊10旁时机械装置暂停，在暂停后机械装置继续运转。

所述无线传感器6由电源模块、数据采集模块、控制器模块、通信模块四个模块组成；所述数据采集模块采集托辊在工作时所发出的声音并转换为声音信号；控制器模块进行数据处理与从所述声音信号中提取故障噪音信号；通信模块将故障诊断结果发送给井下通讯分站7；所述井下通讯分站7接收到无线传感器6的监测结果后，通过井下光纤网络8传送给地面监控室，实现对带式输送机托辊故障的自动监测功能。

如图1与图2所示，所述移动无线传感器6的机械装置主要由同步带1、两端的同步带轮2、张紧轮3、支撑轮4、以及支撑同步带轮、张紧轮、支撑轮的支架5组成；同步带轮2由带控制器的步进电机来驱动；无线传感器6固定在所述同步带1上。所述机械装置的高度与带式输送机基本相同，在确保同步带1的运动不影响带式输送机胶带9的运动的前提下，两者的平行距离越小越好，并使无线传感器6的数据采集模块准确指向带式输送机托辊10，以更好地采集到托辊的有效声音信号。同步带1是一根内周表面设有等间距齿形、上表面光滑的环行带，通过与同步带1相啮合的同步带轮2来驱动。在所述机械装置的中间部分安装若干个支撑轮4及张紧轮3，使同步带1始终处于张紧状态，确保机械装置的正常运行。

所述移动无线传感器6的机械装置由同步带轮2驱动，而同步带轮2则由带控制器的步进电机来驱动。步进电机的控制器基于MCS-51单片机实现对步进电机的精确控制。单片机的输出电平与步进电机的驱动电压不一致，所以在单片机与步进电机之间需要连接有驱动芯片，使之能够驱动步进电机。MCS-51内部有两个定时器T0、T1。通过设置T0的中断时间来控制步进电机的输入频率。在T0中断时间到了之后，使程序进入T0中断服务子程序，该子程序的功能是控制引脚输入特定的脉冲值。通过改变步进电机输入脉冲的顺序改变步进电机的转动方向。设置T1定时器的中断时间来控制步进电机的移动和停止时间。步进电机驱动同步带轮2使同步带1运动，从而带动无线传感器6，使之能够准确移动到带式输送机托辊10旁，并能够在该托辊的位置旁停留足够的时间，使无线传感器6能够识别、处理该托辊的声音信号。

如图3与图4所示，所述无线传感器6由电源模块、数据采集模块、控制器模块、通信模块四个模块组成。电源模块给各功能模块提供电源，由于无线传感器的移动由所述机械装置实现，无线传感器本身的电能消耗较低，因此电源模块可以确保无线传感器的长期正常工作。数据采集模块采集托辊的声音信号，控制器模块进行数据处理与故障信号的提取，通信模块将故障诊断结果通过无线通信方式发送给井下通讯分站7。

如图4所示，无线传感器6中的数据采集模块，由三个部分组成：驻极体传声器、前置放大器、放大与滤波电路。驻极体传声器是单方向型的声音信号敏感元件，工作时的方向对准带式输送机的托辊。传声器高度与托辊在同一个高度，这样能抑制无用噪声信号的干扰。驻极体传声器是用事先已注入电荷而被极化的驻极体代替极化电源的电容传声器，它把声音信号转换成微弱的电信号，其灵敏度高、动态响应特性好，适合声音数据的采集，因此能有效采集托辊的工作声音信号。前置放大器一方面是对驻极体传声器输出的信号进行预放大，另一方面主要是将驻极体传声器的高输出阻抗转换为低阻抗输出，使其能够直接连接放大和滤波电路。放大与滤波电路进行声音信号的适当放大，并且对无用频率进行滤波，所得到的声音电信号U0输入MSP430单片机的模拟数据输入引脚A0。

如图4所示，无线传感器6中的控制器模块采用MSP430单片机，再连接适合的电源复位电路及晶振电路，使单片机能正常工作。MSP430单片机具有丰富的片内外设与超低功耗能满足系统的要求。MSP430单片机接收到放大的模拟电信号后，进行A/D转换，得到单片机能够处理的数字信号。MSP430单片机内部具有A/D转换模块，具备多个转换通道与多种转换模式，转换精度高，采样速度快。之后通过高级算法，如小波变换、傅里叶变换等对该数字信号进行处理，提取声音信号的故障特征。傅里叶变换在频域内进行数字信号的处理，而小波变换能同时在时域与频域内进行信号分析，故障诊断准确率高。MSP430片上集成有硬件乘法器模块，可以在不改变CPU结构和指令的情况下增加功能。这种结构特别适用于对运算速度要求很严格的情况。硬件乘法器大大加强了MSP430的功能，提高了数据处理能力，能够胜任小波变换、傅里叶变换等高级算法的要求。经过故障诊断后，最终得出一个诊断结果，通过通信模块进行发送。

如图4所示，无线传感器6中的通信模块采用RFID通信方式与通讯分站进行数据传输。RFID是一种非接触式的自动识别技术，它可以通过射频信号自动识别目标并获取所需数据。它由两部分组成：标签和阅读器。其中标签分为有源标签和无源标签。本发明采用的是有源标签。无线传感器的通信模块选用通信射频芯片TI公司的CC2500芯片构成有源标签，并在芯片外围加上适当的电源电路与天线电路使其能正常工作。天线电路是发送射频信号的物理载体，通过终端的天线发送射频信号。CC2500芯片与MSP430单片机采用SPI进行连接。阅读器由井下通讯分站7实现。当电子标签进入阅读器的工作范围后，电子标签主动地将存储的信息以电磁波的形式传给阅读器。这样作为阅读器的井下通讯分站7就收到了无线传感器6发送来的故障诊断信息。RFID通信特别适合于井下恶劣的工作环境，数据传输可靠性高，速度快。井下通讯分站7接收到无线传感器6的监测结果后，通过井下光纤网络8传送给地面监控室，监控室工作人员根据无线传感器的监测结果采取适当的措施，这样就实现了自动监测功能。

需要指出的是，上述传感器的选用并不仅限于无线传感器6的形式，也可采用传统的有线传感器，通过电缆自动收线器(或其他方式：比如，将传感器的信号线、电源线预埋入同步带1中或贴在同步带1的上面)等方式，将有线传感器的信号线、电源线与通讯分站连接。

此外，托辊轴承故障除了可用噪声法来检测，还可以通过声发射检测法、温度检测法等方法来检测。因此，传感器数据采集模块的敏感元件，在包含驻极体传声器的同时，还可以包含声发射检测敏感元件或非接触式温度检测敏感元件或声发射检测敏感元件和非接触式温度检测敏感元件的组合，通过多传感器信息融合技术，更准确可靠地监测带式输送机托辊的异常工况。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例而已，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带式输送机托辊故障监测系统，其特征在于它设有传感器与移动所述传感器的机械装置；所述机械装置设置在带式输送机旁；所述机械装置包括同步带、两端的同步带轮、中间的支撑轮、张紧轮；所述同步带与带式输送机胶带平行；所述同步带轮由带控制器的步进电机来驱动；所述传感器固定在所述同步带上。

2.如权利要求1所述的一种带式输送机托辊故障监测系统，其特征在于所述传感器由电源模块、数据采集模块、控制器模块、通信模块四个模块组成；所述数据采集模块采集托辊在工作时所发出的声音并转换为声音信号；所述控制器模块进行数据处理与从所述声音信号中提取故障噪音信号；所述通信模块将故障诊断结果发送给通讯分站。

3.如权利要求2所述的一种带式输送机托辊故障监测系统，其特征在于所述传感器的数据采集模块包含驻极体传声器、前置放大器、放大与滤波电路；所述驻极体传声器是单方向型的声音信号敏感元件，工作时的方向对准带式输送机的托辊。

4.如权利要求2所述的一种带式输送机托辊故障监测系统，其特征在于所述传感器为无线传感器，所述无线传感器的通信模块采用RFID通信方式与通讯分站进行数据传输连接，所述通讯分站与光纤网络进行数据传输连接。

5.如权利要求2所述的一种带式输送机托辊故障监测系统，其特征在于所述传感器为有线传感器，所述有线传感器的通信模块通过信号线与通讯分站进行数据传输连接，所述通讯分站与光纤网络进行数据传输连接。

6.如权利要求3所述的一种带式输送机托辊故障监测系统，其特征在于所述传感器的数据采集模块的敏感元件，在包含驻极体传声器的同时，还包含声发射检测敏感元件或非接触式温度检测敏感元件或声发射检测敏感元件和非接触式温度检测敏感元件的组合。

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