輸送帶跑偏和堆煤是煤礦帶式輸送機(jī)常見故障，實際中多采用接觸式傳感器檢測這2種故障，在耐用性、靈敏度、可靠性等方面無法滿足煤礦安全生產(chǎn)要求。近年來，基于圖像處理的帶式輸送機(jī)故障檢測方法被提出，但不同的帶式輸送機(jī)應(yīng)用場所中環(huán)境光照條件不同，且輸送帶表面污漬會導(dǎo)致顏色信息變化，影響圖像處理效果，導(dǎo)致誤識別問題。三維點(diǎn)云是通過對物體進(jìn)行一系列空間點(diǎn)采樣得到的表征物體表面信息的數(shù)據(jù)，其與圖像數(shù)據(jù)相比，能更純粹地反映監(jiān)測對象的形狀和位置信息，而不存在顏色信息的干擾。本文提出基于三維點(diǎn)云的帶式輸送機(jī)跑偏及堆煤監(jiān)測方法，可實時監(jiān)測輸送帶跑偏和堆煤故障，降低工作人員勞動強(qiáng)度，提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行安全性。

帶式輸送機(jī)跑偏及堆煤監(jiān)測系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)跑偏及堆煤監(jiān)測系統(tǒng)由線激光雙目相機(jī)、計算機(jī)、PLC、觸摸屏、變頻器、速度傳感器等組成。相機(jī)安裝在槽型帶式輸送機(jī)正上方，通過激光發(fā)射器將一字線激光投射到下方輸送帶表面，利用雙目視差原理進(jìn)行深度測量。在輸送帶回程段安裝光電式速度傳感器，用于測量輸送帶實時運(yùn)行速度。隨著帶式輸送機(jī)運(yùn)行，相機(jī)對輸送帶進(jìn)行線掃描，實時生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機(jī)。系統(tǒng)通過分析處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)對輸送帶跑偏和堆煤故障進(jìn)行實時監(jiān)測。

輸送帶跑偏監(jiān)測原理

線激光雙目相機(jī)按照一定的掃描間隔進(jìn)行采樣，提取輸送帶運(yùn)行方向上有限長度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)片段進(jìn)行實時分析。激光線除投射于輸送帶以外，還投射于機(jī)架、托輥等部件表面，形成噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。采用歐氏聚類算法濾除機(jī)架等部件的掃描信息，采用隨機(jī)采樣一致性（RANSAC） 算法濾除托輥區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

在濾除噪點(diǎn)后的各采樣分段數(shù)據(jù)中，各幀數(shù)據(jù)在輸送帶寬度方向上的最小值為輸送帶邊沿信息。取這些最小值的中位數(shù)作為采樣分段數(shù)據(jù)的輸送帶邊沿表征。用輸送帶寬度方向的中心點(diǎn)作為表征指標(biāo)，以反映輸送帶偏移趨勢。對采樣數(shù)據(jù)段的輸送帶左右邊沿表征值進(jìn)行計算，得到中心表征值和均中心表征值，以均中心表征值作為反映跑偏趨勢的實時監(jiān)測指標(biāo)。

輸送帶堆煤監(jiān)測原理

引入“煤流等效高度”的概念來實時評估堆煤程度。在輸送帶寬度方向上從每幀1 500個點(diǎn)中等間距選取200個點(diǎn)，計算高度方向坐標(biāo)平均值，并將其作為該幀數(shù)據(jù)的單幀等效高度。將空載與帶載時的單幀等效高度作差，得到煤流等效高度。若其大于設(shè)定的堆煤閾值，則認(rèn)為此時帶式輸送機(jī)發(fā)生堆煤故障。

試驗驗證

跑偏監(jiān)測功能驗證

通過絲杠調(diào)整前后改向滾筒軸線到機(jī)架 2 個端面的距離，進(jìn)而改變改向滾筒角度，人為誘導(dǎo)跑偏發(fā)生。設(shè)置輸送帶速度在0.5～3.0 m/s范圍內(nèi)，以0.5 m/s為增量。各速度下分別設(shè)置4組跑偏試驗，其中人為誘導(dǎo)向左和向右跑偏各 2 組。測試結(jié)果表明，邊沿點(diǎn)檢測相對誤差為 -6.99%～3.11%（即檢測誤差為-2.84～1.26 mm），最大誤差僅為 2.84 mm，驗證了系統(tǒng)能可靠實現(xiàn)跑偏故障監(jiān)測功能。

在 0.5～3.0 m/s 輸送帶速度范圍內(nèi)人為誘導(dǎo)跑偏，以跑偏系數(shù)衡量跑偏趨勢，其為當(dāng)前采樣點(diǎn)均中心表征值與其前第 20個采樣點(diǎn)均中心表征值的差值與這 2 個采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取時間間隔內(nèi)輸送帶運(yùn)行距離的比值。在不同的輸送帶速度下進(jìn)行24 組試驗，有 21 組試驗在預(yù)測出跑偏趨勢后，輸送帶均在 0.5～4.0圈內(nèi)發(fā)生了朝預(yù)測方向跑偏的故障。剩余3組試驗在檢測出跑偏趨勢后，最終趨于近平衡狀態(tài)。試驗結(jié)果驗證了輸送帶偏移預(yù)測的正確性。

堆煤監(jiān)測功能驗證

通過試驗標(biāo)定確定堆煤閾值。在輸送帶上集中堆積煤料，直至煤料堆邊沿到輸送帶某一邊沿的距離小于輸送帶寬度的 1/10，對煤料堆進(jìn)行掃描，得出各幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的最大等效高度。在標(biāo)定過程中進(jìn)行 20 組測試，選擇其中最小值作為堆煤閾值。標(biāo)定結(jié)果為26.85 mm，對應(yīng)的煤料堆質(zhì)量為 27.6 kg。在14～41 kg區(qū)間內(nèi)，以1 kg為增量，在輸送帶上堆積煤炭樣本，并對煤料堆進(jìn)行掃描。計算各幀數(shù)據(jù)的最大等效高度，并與堆煤閾值比較。試驗結(jié)果表明，煤炭質(zhì)量在14～24 kg及28～41 kg 范圍內(nèi)檢測結(jié)果均正確，25～27 kg范圍內(nèi)存在檢測錯誤情況，原因是這 3 個煤炭樣本質(zhì)量較接近觸發(fā)堆煤報警的臨界值 27.6 kg，由于堆積密度變化等因素，最大等效高度會圍繞堆煤閾值有一定波動，但波動不大。

審核編輯 ：李倩