目前，在加快推进智能化煤矿建设的大环境下，智能化是带式输送机发展的核心。煤矿带式输送机的智能、安全、高效、绿色运行，对促进煤炭工业高质量发展具有重要意义。

本文基于计算机辅助、智能驱动、智能控制、智能监控等与煤矿带式输送机设计进行深度融合，形成具有智能感知、智能分析、智能预测预警的智能化带式输送机，实现带式输送机的安全高效智能运行。

1  带式输送机工况及存在的问题

由于线路的复杂性，在带式输送机计算方面，可能有下运，上运以及上下运结合的工况，带强和功率的最不利工况可能不在一个工况下产生。

受地形、煤层走向等条件限制，在带式输送机线路上，往往出现上下运结合的复杂地形，以长平矿六盘区北巷固定带式输送机为例，巷道线路由小角度下运、大角度下运、平运、大角度上运和小角度上运的复杂工况组成，给输送机设计带来了较大困难，增加了设计的复杂性和对安全的可靠性要求。

同时，该带式输送机与架空行人装置共同布置在同一条巷道中，带式输送机的所有驱动装置必须全部放置在非架空行人装置一侧。为了满足带式输送机总功率需求，需合理选择和布置驱动装置。

对于同时包含下运、上运、多驱的大型带式输送机设计，需重点考虑以下问题：①带式输送机在启动、制动、下运段、上运段不同工况下的受力计算；②传动滚筒多、动力匹配复杂、运行过程中电机电动和发电工况交替出现的驱动控制；③下运工况时，整机的软制动和突然断电时的柔性制动等安全制动；④重点部位无人化监测、自动化诊断、带式输送机安全运行；⑤主控系统与保护系统、变频调速控制系统、制动系统、张紧系统、监测系统等各系统间的一体化协同控制。

2  带式输送机计算机辅助设计

由于线路的复杂性，在带式输送机计算方面，可能有下运、上运以及上下运结合的工况，带强和功率的最不利工况可能不在一个工况下产生。

机尾受煤开始时，带式输送机在下运段有煤，上运段空载时，原煤重力大于摩擦阻力，为下运工况。对于该工况的计算，摩擦阻力的确定是关键环节，模拟摩擦因数的选择应充分体现可能产生的最不利工况，以便计算出在最不利的工况下可能产生的最大下运功率。同理，带式输送机停机前，尾部不再给煤，下运段空载，上运段满载时，上运段的煤炭和输送机的摩擦阻力可能比全长满载时更大。因此，功率的最不利工况不一定是输送带张力的最大工况，反之亦然。为此，输送机的不利工况点的选取应充分涵盖这2种最不利工况，输送机的设计也应考虑最大的张力和最大带强工况。对于这种复杂工况下的带式输送机设计，可凭借计算机辅助设计技术，从动态设计的角度出发，对带式输送机系统的动态特性进行研究。该部带式输送机利用了OVERLANG 动态分析软件，在计算机上交互式地建立带式输送机系统整体模型，动态地模拟输送机在起动、制动、上下运及全程满载、空载等典型工况下输送带动张力的变化特性；对功率时间曲线、扭矩时间曲线、打滑时间曲线进行分析；对飘带模式的平板效应进行研究；对输送带本身的动力特性进行试验研究，在与带式输送机运行实际条件相近的边界条件下，寻找其力学特性。总之，要确保输送带不许出现低张力堆积、振荡或者飘带等现象。

3  三滚筒三驱动设计

带式输送机与架空行人装置共同布置在同一条巷道中，带式输送机的所有驱动装置必须全部放置在非架空行人装置一侧。依据计算机辅助设计结果，结合带式输送机实际工况，确定采用头部三滚筒永磁驱动形式，驱动力配比1:1:1。

采用变频直驱式永磁电机软启动的方式，可根据张紧力反馈的实时数据及时调整启动速度，避免煤块会出现滚落、输送带和上部输送的原煤出现相对位移或者输送的煤层内部发生相对滑动现象。同时，该方式无需减速器，缩小了驱动装置体积，提高了传动效率。可依托智能监控和智能煤流启动系统，通过不同的运行模式和煤流监控，结合永磁驱动无级变速以及加减速度控制的特性，实现速度与负荷匹配的目的。

三滚筒三驱动的形式与两滚筒三驱动的形式相比，不仅释放了带式输送机另一侧的空间，满足了用户对巷道空间的利用需求，而且增大了围包角，提高了驱动和制动摩擦力，降低了输送带强度。在多驱功率平衡方面，需同步好3个传动滚筒的转动速度，变频器采用全数字、矢量控制型变频调速装置，3台变频器都设为多机运行，其中1台设为主机，另2台设为从机。变频器运行后，主机按给定频率运行，另2台跟随运行，变频器各自实时检测输出电流、电压等参数，经过内部运算获得电机的转差率、转速、功率等，与主控变频器比较获得运行偏差信号，经从机 CPU 运算后输出新的控制信号，来调整从机的输出频率和功率，以实现变频器的同步运行和自动功率平衡。

4  机尾、机头制动设计

机尾设置下运式盘式制动器，在下运工况时，速度传感器监测到带式输送机超速时，将超速信号反馈给主控系统，主控系统给下运式盘式制动器下达点刹命令，下运式盘式制动器将频繁对带式输送机软制动，以防失速。同时，机头驱动装置采用四象限变频器工作在正常输出状态；当原煤下滑力大于运行阻力时，工作在第二、四象限，电机的转矩与转速方向相反，电机在发电状态，产生的电能通过电机侧逆变器进入到直流回路，当直流回路的电压达到所规定值时，就通过进线侧整流器回馈到交流电网，从而产生了制动力矩，使带式输送机速度匀速运行。针对上运工况和停车驻车，在机头也设置了盘式制动器，起到停车驻车和防止输送带倒转的作用。

在机头、机尾同时设置盘式制动器，配合四象限变频器，可解决对复杂工况下带式输送机的运行带速控制以及整机的软制动问题。

5  智能监控监测

传统带式输送机监控系统多以传统的"八大保护"为主，缺乏智能感知、智能分析、提前预警能力。该部带式输送机在此基础上增加了振动监测和视频监控2项智能设施，目的在于积极预防和干预各种突发事件，做到防范于未然。

振动监测系统主要由振动传感器和数据采集系统组成，在滚筒轴承座表面安装振动传感器。振动传感器分为螺杆式和粘贴式，螺杆式安装于长期监测的物体表面，粘贴式用于临时监测的物体表面。振动传感器利用物联网、云计算、大数据技术，通过在设备表面设置无线振动传感器，利用无线物联网技术收集振动信号，上传至服务器综合分析设备的振动频谱，对运行振动数据与服务器大数据进行比对诊断分析，实现设备的运行状态判断及未来状态预测，为设备的运维检修决策提供数据支撑。

视频监控系统主要由智能摄像机＋智能视频服务器构成，在机头卸载点、驱动装置处、张紧部、输送带凹点处、落料点安装智能摄像机，利用智能传感检测技术和视频图像处理技术，智能监测和判定目标行为是否符合预先设定的警戒条件，后经智能分析处理，将监控到的图像和声音以声光电报警或通过网络传至远端监控，实现对异常事件及其过程的实时检测、报警、记录和传输。通过机器视觉、电子围栏、协同互联等功能，实现带式输送机连续运输系统的无人值守。

6  协同控制系统策略

复杂工况下的带式输送机由保护系统、变频调速控制系统、上下运制动系统、变频张紧系统、煤流负荷检测系统、振动监测系统、视频监控系统等组成，为了实现各子系统间的有机结合，需有一套主控制系统，用于各子系统之间的协调和控制。

主控制系统以智能感知、智能分析、自动控制为基础，协同变频驱动、制动、张紧、综合保护、在线监测等系统高效运行，组成带式输送机智能柔性运输系统，实现远程监控、一键启停、智能调速等功能。主控基于PLC 技术，使用先进的带式输送机集控系统作为主系统，实现各子系统间的通信和控制。主系统由CPU 中央处理模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块和通信模块等组成。CPU 模块作为核心元件存储工程程序，实现对设备的逻辑控制和通信设置。各子系统配有以太网接口、USB 接口和RS485接口等丰富的多媒体集成方案，扩展空间广。主系统与子系统间主要采用光纤以太网通信方式，通过就近交换机接入井下环网，实现与输送带主控系统无缝技术通信。各子系统的变频器状态参数、电机电流、功率、振动频率、电机温度、张紧装置张力值上传至主系统，主系统通过监控主机人机界面进行数据集成。同时，通过矿井上下无线网络系统和特制的本安智能手机，还可实现无线环境下起停车控制、随时移动监测设备运行状态和故障状态、视频监测、语音通信及远程协助等功能。

带式输送机协同控制技术可以实现带式输送机的高效、可靠、节能运行。通过启停自适应控制、煤量自适应调速、功率平衡控制、柔性制动控制、张紧力自动调节、振动监测、视频监控等，提高带式输送机的运载效率和运行安全，延长设备使用寿命，节能减排，降低损耗。

7  结语

以动态计算、智能永磁变频驱动、智能监控监测、协同智能控制等为代表的关键技术在复杂工况下的带式输送机设计上的应用，表明以计算机辅助设计、人工智能、大数据、互联网为标志的智能化新技术已经与现代化的带式输送机设计发生了深度融合，促进了带式输送机运输系统向无人化、智能化方向的进一步迈进，推动了煤矿智能化的整体建设。