徐言东 ¹,白金龙 ¹ ,郭强 ¹,张勇军 ¹,王晓晨 ¹,白英超 ²

(1:北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心, 北京 100083；2: 沈阳通用电子技术有限公司 沈阳 110141)

摘 要：由于工业用输送带需要长期高负荷运转等因素，散料上运带式输送机断带事故时有发生。断带监测保护系统主要适用于监控到断带事故发生时，对下滑断带的捕捉以防止其造成重大经济损失、人身伤亡事故。本文通过对既有的有代表性的断带监测保护技术的优缺点进行解析，分析了断带监测保护技术所需要聚焦的关键需求与痛点问题，引出了适用于信息化、智能化工厂建设的断带监测保护系统的发展趋势。

关键词：带式输送机；智能化；断带保护；断带监测

1 引言

在矿山、电厂、钢厂等大型企业中，上运带式输送机承担着输送大量散料的艰巨任务。 随着科技的进步和对产量、效率的要求提高，需要企业向大型化、无人化、智能化方向逐步靠拢，这样对上运带式输送机具备大倾角、长距离、大负荷、高智能的能力要求越来越高。上运带式输送机胶带满载拉力较大、倾角大，由于长期运转、胶带硫化接头老化等各种意外因素，导致时常发生倒带断带事故^[1]。事故发生时，断带和其上运载的物料在重力的作用下，会急速下滑，如果系统不在断带瞬间加以控制，断带及其物料产生的冲力会不断加大，对本体设备和环境造成产生极大的破坏，后果相当严重，经济损失巨大^[2]。为了防止以上情况的产生，根据国家标准 GB16423——2006，需为上运带式输送机安装倒带断带自锁保护装置^[3]。因此，需要对智能化的断带保护技术进行分析与研究，建立起可靠的智能保护系统，其与生产线的生产管理系统能进行数据传输，建设本生产区域智能一体化平台，提高生产效率。

2 传统倒带断带保护装置设备和倒带断带保护技术理论

2.1 传统倒带断带保护装置设备概述

对近二十年国内倒带断带保护自锁装置相关专利申请和生产应用情况进行了摸底，下面列举一下几种能相对有效遏制断带事故的破坏力的倒带断带自锁保护装置。

2.1.1 全带面捕捉式断带自锁保护装置

这类保护装置以南非某品牌配重式倒带断带保护装置为代表，主要由机架、固定横梁、配重臂、捕捉器托辊与捕捉架构成，其机械结构简单，通过捕捉架的上爪部与固定横梁间的配合夹紧断带的承载段或同时捕捉胶带的承载段与回程段将其制动。

其特点：

1）其将配重臂重力与和胶带承载段下表面接触的捕捉器托辊在输送机正常运转状态下所承受的压力通过捕捉架作为杠杆相平衡来检验胶带张力，在断带失去张力时执行捕捉动作。

因此其在发生倒带事故的场合无法动作且动作的同步性较难保证。

2）其将胶带的自然跑偏及断带时的跳动范围控制在保护装置的控制范围内，能够排除胶带在断带时从自由端开始的上下跳动对断带捕捉的影响^[4]。

3）其捕捉带面范围为全带宽，单台保护装置对胶带施力面积大，捕捉架上挑胶带的过程中使胶带被抬高的部分形成陡坡，一定程度上能够通过向两旁卸载、抛撒物料来排除物料对断带捕捉的影响。

4）其通过螺栓固定在带式输送机两侧的中心架上，由于其单台捕捉力大且制动时间短，为防止捕捉断带的反作用力导致中心架拉伤，需要对中心架进行加固。

针对本自锁保护装置动作同步性差的缺点，江苏某公司提出了一种电动触发型保护系统，该保护系统由电磁阀对配重限位并设计检测机构，通过统一联锁控制一定程度保障捕捉的同步性，但其仍然采用捕捉机构与全带宽范围接触的捕捉方式，同步性会因不同保护装置安装处断带承载物料量的不同而受到影响。该改进方向的保护装置还存在以液压作为驱动力，由操作箱集中控制的形式，其长期使用中需要定期检修液压系统泵站。

2.1.2 偏心托辊——上闸块位移式断带自锁保护装置

这是当前国内应用较为广泛的倒带断带自锁保护装置，其主要由支架、中间承载托辊、带逆止器或挡块的偏心托辊、摆臂、闸块、调整螺钉、防偏立辊、传动连杆、弹簧等组成，其通过利用下滑胶带的摩擦力带动中间承载托辊逆转触动传动连杆释放带有制动闸块的摆臂，同时带动偏心托辊转动，在偏心作用下将下滑断带锁死在偏心托辊与制动闸块之间。

其特点：

1）其通过中间承载托辊的结构设计判断与之接触的胶带下表面的运动方向是否发生改变，因此其在倒带事故与断带事故发生时均能够响应，无需配置独立的断带检测装置，但在断带跳跃下滑的情况下可能难以确保沿线各保护装置同时触发。

2）其摆臂在待发状态时平行于机架呈敞开状以确保正常运转时对胶带不发生影响，在断带事故发生、断带跳跃下滑的情况下难以完全将断带控制在保护装置的作用范围内，其对于断带的总捕捉面积可能因此无法达到预定效果。

3）其作用范围接近全带宽范围，由弹簧推动的摆臂在回位过程中一定程度上能够起到清理带面物料防止物料影响断带捕捉的作用，但在这个过程中由于断带不同位置的物料承载情况和运动状态可能存在的差别，回位过程中摆臂与物料、跳动带面的碰撞可能影响断带捕捉的及时性和同步性。

4）其以弹簧机构作为断带捕捉的驱动力，在正常的使用过程中其弹簧机构长时间保持待发状态，易因金属疲劳导致捕捉效率下降，同时其设计上动作幅度大，活动机构难以进行密封处理导致大部分机械结构暴露在外，长期在煤矿环境内使用易因表面附着粉尘固结影响动作的及时性与可靠性。

2.1.3 PLC 控制型上闸块位移式断带自锁保护装置

该装置由控制箱、断带检测装置、位置传感器、电磁阀、断带自锁捕捉机构组成，具有结构左右对称、由凸轮压带、结构紧凑的特点，可以将断带快速锁定在上制动闸块凸轮和机架耐磨板之间。

其特点：

1）其在输送机的沿线多点布置，保护输送带长度全长的 50%。从输送机机头开始每间隔 40 米安装一对（即左右两侧）。

2）其所配置的断带检测装置通过检测输送带张力的变化判断其是否发生断带事故，由控制箱集中发送捕捉指令确保捕捉动作开始的同步性。

3）其上制动闸块在待发状态时平行于机架呈敞开状以确保正常运转时对胶带不发生影响，在断带事故发生、断带跳跃下滑的情况下难以完全将断带控制在保护装置的作用范围内。

4）其上制动闸块需先向内旋转到达捕捉位置，由于断带不同位置的物料承载情况和运动状态可能存在的差别，其到位过程中与物料、跳动带面的碰撞可能影响断带捕捉的及时性和同步性^{[5-10 ]}。

2.2 倒带断带保护技术理论

上运带式输送机所用的胶带发生断带的过程并不是静态的，为确保倒带断带自锁保护装置的可靠性，需要对上运带式输送机断带的动态过程进行分析。

其中 qk为带式输送机下滑断带所承载物料的线密度，单位为 kg/m；

qd为带式输送机下滑断带的线密度，单位为 kg/m；

L 为下滑断带长度，单位为 m；

x 为下滑断带下滑的距离，单位为 m；

α为带式输送机倾角，单位为°；

f 为下滑断带所受摩擦阻力，单位为 N。

断带所受摩擦阻力 f 由下式确定：

其中μ为下滑断带与托辊间的动摩擦因数。

现存的断带检测装置大部分通过判断上运带式输送机胶带的运行方向是否变化判断是否发生断带，因此，对于断带捕捉问题而言，断带下滑的过程可以视为从静止开始的过程。

因此断带自由下滑阶段的加速度:

可见断带自由下滑阶段的加速度由带式输送机本身固有的结构特征决定。

从检测到断带发生到倒带断带保护装置动作的时间间隔为 t₀，则倒带断带保护装置对下滑断带实施捕捉时断带的初速度为 v₀=at₀，单位为 m/s。

即倒带断带保护装置开始实施捕捉动作时，下滑断带及其所承载物料的动量:

在断带发生后，倒带断带保护装置通过捕捉断带发挥其制动作用，其对下滑断带制动所产生的冲量与下滑断带的动量相抵，最终使下滑断带的动量减少至 0，完成自锁保护过程。

设带式输送机倒带断带保护装置的捕捉力为 F，则有：

其中 t 为倒带断带保护装置的制动时间，单位为 s。

故断带下滑的总距离 L_s 为

从实用角度出发，用户希望断带保护装置具有尽可能短的制动过程，部分电厂、煤厂等应用上运带式输送机的单位甚至要求其带式输送机配备的倒带断带保护装置应在0.5秒内完成整个自锁制动过程。缩短制动过程的手段主要包括提高对下滑断带的捕捉力与减少实施制动时断带的初始动量。而保护装置局部捕捉力需限制在胶带硫化接头所能承受拉力的范围内，故其对胶带应确保足够的捕捉面积且要求多台倒带断带保护装置在断带下滑加速初期及时同步动作并在捕捉过程中对胶带缓施加力，以防止对断带的瞬间制动加速度过大造成二次拉断或机架变形等不必要的连带损伤。

如把带式输送机从头至尾分成相等的三段，根据生产实践经验第一段断带几率约为 75%，第二段约为 20%，而在第三段仅约为 5%，这是由输送机运行时胶带的受力情况决定的，带式输送机用断带保护装置在设计与安装上应当遵循多点配置、沿线安装、重点保护带式输送机上半部分的原则^[11-13]。

倒带断带保护装置可靠达成以上性能条件的前提是，在捕捉力施加能够避免断带所承载的物料对捕捉断带的影响，且不误动、不拒动。

以上的分析将带式输送机的下滑断带简化为斜面上下滑的刚性的条带状物体，实际上，带式输送机所用的胶带在张紧装置的作用下自身内部具有较大的张力，在断带事故发生时，瞬间出现两个自由端的断带将并非仅贴合托辊地加速下滑，而是在内部张力的作用下呈现出从自由端开始沿胶带方向延伸传播的波浪式的跳动、回弹的运动特征。因此倒带断带保护装置应该将该情况纳入考量范围，即其应当能够控制下滑断带的跳动范围或其他确保在断带跳跃式下滑的过程中仍有效捕捉断带。

3 新型断带保护系统设计

根据以上所述的传统断带保护装置所具备的特点与缺陷，设计了一种新型电控式断带保护系统。该系统可以在发生断带事故时进行瞬间捕捉，新型的机械结构与电控系统提高了装置的可靠性，可有效地降低带式输送机断带事故的造成的损失。

其机械结构主体为钢板热压成型结构，对外力抵抗力强，由电机驱动捕捉能在 0.5s 内完成动作; 在输送带两侧对称布置进行并列控制确保布置在整条输送带的倒带断带自锁系统全部同时动作捕捉，捕捉输送带两侧无物料部分且捕捉总面积大并在捕捉机构采用离合器式的结构实现缓施加力，具备近似汽车刹车防抱死制动系统的效果，避免了带面物料的影响且不会造成输送带及机架连带损坏。

散料上运带式输送机的工艺应用特点决定其安装空间狭小，输送机支架、基础加固都很困难。设计安装在中心架上的可组装的转接架可以避免上述问题，夹持输送带的自锁主体通过可组装的转接架成对对称安装在输送机两侧中心架上，从结构设计上保证断带始终在自锁系统可控范围内，基本解决了断带下滑中出现不规则的运动导致难以捕捉的关键问题。安装状态示意图如下所示。

为确保系统能够在断带事故发生的第一时间进行响应设计的对应的监测机构由装配轴装配在带式输送机中部，检测组件装配在装配轴的中部，配重轴和输送带接触轮分别装配于主支架的两端，输送带接触轮紧贴输送带下表面随其移动而转动。支架的内侧壁安装有两个霍尔传感器，接触轮的侧壁内安装着加速度传感器、磁钢块，二者随接触轮转动而转动，由随输送带接触轮转动的磁钢块依次触发两个霍尔传感器。通过 PLC 单元采集传感器信号获取胶带带速信息与运行方向，监测机构随机供电，通过直流整流稳压电路供电，其由变压器、滤波电容、三端稳压器、二极管整流桥和电流输出型降压开关集成稳压电路构成。其传感器配置了接地线，可以与交流电输入隔离，满足本系统的电流需求，电源设计可以保障本系统在煤矿、钢厂等恶劣工况下运行安全和可靠^{[14-16 ]}。

断带保护系统具体工作流程如下：

（1）系统各传感器随散料上运带式输送机同步上电，电气控制系统对带式输送机运行状态同步监测，带式输送机带速等运行状态信息在 HMI 上可以被显示 ；

（2）在带式输送机运行过程中，若出现检测到输送带发生逆转的情况，系统会马上判断为带式输送机发生倒带、断带事故，会同时向带式输送机发出切断动力电源的警告信息，下滑断带进行同步捕捉动作；

（3）系统会对自锁执行机构电机运行状态进行自我监测，在达到预先设定的确保完成断带自锁捕捉的各项指标的前提下完成断带捕捉工作。

4 新型带式输送机状态智能监控系统与生产管控平台设计及应用

新型断带保护系统已经足以在断带事故发生时完成迅速捕捉断带任务，可以防止损害扩大的情况下，再应用合适的智能化改造措施，就可确保带式输送机的运行状况能够及时被监测，配置的智能化系统根据检测结果评估带式输送机的潜在断带风险，与预设风险程度对比而发布检修命令，可以保证在断带事故发生前进行及时的检修与维护，杜绝断带等事故发生。

某钢铁公司上线了一套带式输送机智能一体化管控平台，下面对该系统如何实现带式输送机的智能化改造内容进行介绍。

带式输送机系统具有生产分布区域广、露天设备运行、设备数量众多、故障发生危害巨大、点检位置多、监控不够等特点，还有处理故障缺陷难度大、时间长、缺少数据传输、设备运行故障检测准确率低、设备运行的可靠性较低等难点，为此某科技有限公司打造了带式输送机智能一体化平台。

该平台基于工业互联网，通过 5G、物联网、AI 视觉识别大数据以及工业互联网思维提升系统对皮带综合安全态势的感知能力以及机电设备维护保养水平实现以下的设备故障预报警和安全隐患的双闭环管理^{[17-24 ]}。

平台构成如下：

（1）视觉管控：

1）报警信息自动弹出，消息提醒包含坐标，图像信息，并可完成报警处理；

2）可选择产线区域，选择带式输送机、显示报警信息，带式输送机监控信息，AI 识别信息，感知预警信息，选择区域下的皮带可以查看皮带详情；

3）带式输送机布局图中皮带状态与皮带实际运行状态联动，正常绿色、停止红色、异常黄色，对带式输送机运行状态一览无余；

4）可选择产线区域，选择带式输送机皮带、查看所有点位监控；

5）可查看产线区域下，带式输送机皮带视频报警记录，以及报警处理状态，完成任务闭环。

（2）带式输送机皮带 AI 识别：

1）跑偏检测：分级报警，守护带式输送机皮带运行安全；

2）异物检测：识别异物、减少异常；

3）堵料检测：及早发现堵料、减轻处理工作量；

4）空载检测：检测空载状态，识别煤流异常；

5）入侵检测——人员等入侵告警提醒，杜绝事故发生。

（3）设备管理：

1）自动完成油品消耗统计；

2）支撑油品归并，减少油品的消耗，对可能的跑冒滴漏现象进行监控；3）对给油脂的周期和给油脂量进行优化，可实现有效的节能降耗；

4）周期给油任务自动推送，任务完成实时反馈，实现闭环管理，优化给油量，优化给油周期；

5）带式输送机皮带/监控基础信息管理：维护产线区域下，带式输送机皮带基础信息以及皮带的启、停、运行，电流等可采集到的信息。维护产线区域下带式输送机皮带的监控设备；

6）记录电机的启停记录、运行效率管理。

（4）统计分析：

1）统计所有带式输送机皮带上、下料数据；

2）统计所有带式输送机皮带上、下料累计数据；

3）上料量与下料量跟踪自动对比分析；

4）实现无纸化，减少人工计算量，多维度自动统计分析。

（5）工作日历：

1）基于加油任务，运维任务，临时工作计划自动生成工作日历（月计划、日计划），根据工作日历自动完成任务下发到手机 APP；

2）通过工作日历，掌实时握人员工作计划，记录每天完成的任务类型，任务数量并形成数据档案。

5 结论

（1）带式输送机具有覆盖生产区域大、事故后果严重的特点，对传统的断带保护手段均有相当大的挑战。本文从事故的处理、监测、预防三个维度分解断带保护问题，从局部到整体地对智能化断带保护技术进行分层次的剖析，并针对各维度的关键需求设计新型解决方案，应用新型断带保护系统能够提高带式输送机区域安全系数与运行稳定性和效率。

（2）带式输送机系统投用新型保护系统，经数字化改造后能够较便捷地对接厂内生产管理系统为其提供数据支持，可按照带式输送机智能一体化平台思路对带式输送机系统进行升级换代改造，为提高整体生产效率打下坚实基础。

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