水平搬送におけるコンベアベルトの厚さ測定のための革新的な診断装置

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7212 (2022) この記事を引用

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水平輸送で使用されるコンベヤ ベルトの診断は、ベルトをコンベヤから外して実験室の条件でテストする必要がなく、鉱山プラントでは重要な側面です (Jurdziak et al.、Adv Intell Syst Comput、835:645–654、2019) 。 現在のテストにより、コンベア ベルト カバーの現在の厚さに関する知識が得られ、加速された変更を制御することが可能になります。 また、コンベアの動作の緊急停止を回避し、経済的に正当な動作停止計画を立てることができます。 この記事では、NCBR プロジェクト (No. 0227 / L-10/2018 [LIDER プログラム、Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze、1 (47)/2020、pp. 60–61])、また、実験室用バージョンのデバイスのおかげで得られた測定結果も示しています。

コンベア ベルトの寿命は、輸送される材料の種類、輸送ポイントの特殊性、コンベア ベルトの長さと状態など、文献 3 に記載されている多くの要因によって決まります。 図 1 に鉱山で使用されるベルトコンベアの構造図を示す4。

ベルトコンベアの図。

コンベヤの最も高価で緊急の部品はベルトです。 そのコストはコンベア全体のコストの約 60% であると推定されます5。 使用中、さまざまな使用条件（温度、雰囲気、荷重、紫外線、ベルト張力、摩擦）による磨耗、伸び、引き裂き、切断、亀裂、剥離、不均一な使用条件など、耐久性を著しく低下させる好ましくない現象にさらされます。 ）。 コンベヤ ベルトのメーカーに対する要件では、ベルトが高品質の製品であると定義されており、それがコストに反映されます。 さらに重要なのは、異常を除去できる可能性がある場合の診断と迅速な検出です。 ベルトコンベアに潜在的な故障が発生すると、その修理に関連するコストだけでなく、輸送の強制停止や生産損失に関連するコストも発生します5、6。

NDT (非破壊検査) の特異性は、対象物 (ここではコンベア ベルト) の検査中に、対象物が劣化せず、その構造と特性が変化しないことを前提としています。 NDT ベースの方法は、ベルトコンベアの技術的状態の診断においてますます注目を集めています7。 以前は、研究はコンベヤの個々のコンポーネント (ベルト 8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、ドライブ 18、アイドラー 19、またはギアボックス 20、21) のみに焦点を当てていました。

世界中の多くの研究者が、コンベヤー ベルトの診断のための多くのシステムを開発してきました5。 利用可能な方法の中には、カバーの状態を診断するために使用されるものや、ゴム内部のスチールコアの損傷を検出するために使用されるものもあります22、23。 インダストリー4.0の時代では、検査対象物にセンサーを設置してデータを収集・処理することで、研究プロセスの改善や作業点の継続性やさまざまな脅威の制御につながります1。

ヴロツワフ科学技術大学で実施されたプロジェクトの目的は、コンベア ベルトの厚さを測定し、横方向および縦方向のプロファイルの変化を評価するための新しい装置を開発し、その工業用バージョンを作成することです。

設計されたデバイスの最も重要な部分は超音波距離センサーです。 センサーは 2 つの圧電素子で構成され、1 つは送信モード、もう 1 つは受信モードです。 送信機は超音波、つまり人間の耳の可聴上限 (20 kHz 以上) を超える周波数の波を放射し、空間を伝播して障害物に反射します。 エコーは受信機によって拾われ、波の送信から受信までの時間がセンサー内で測定され、センサーと障害物との間の距離が明確に決まります。 放射された超音波は、媒体のパラメーター (主に温度だけでなく湿度も) に応じて、一定の既知の速度で空気中を伝播します。 音波は機械的な波であるため、媒質の乱れとして伝播します。 温度は分子の平均運動エネルギーとして定義されるため、温度が変化すると分子の速度が変化し、したがって波の伝播速度も変化します。 温度に応じて変化する超音波の速度を補償するために、超音波センサーには温度補償機能が組み込まれています24。

市販されている工業用超音波センサーは 25 ～ 500 kHz の周波数を使用しており、センサーの動作周波数は距離範囲に反比例します 25。より低い周波数の波はより遠くにある物体を検出するために使用され、より高い周波数の波はより遠くにある物体を検出するために使用されます。オブジェクトが近くにあります。

厚さ測定の考え方は差動測定に基づいており、超音波センサーは試験対象物の上下両方に配置されます。 測定の考え方を図 2 に示します。テスト対象物の上に置かれたセンサーは記号 \(X_{1}\) で表される距離を決定し、物体の下に置かれたセンサーは \(X_{2}\ ）。 物体の上下のセンサー間の距離 (ここでは文字 \(A\) でマークされています) がわかれば、特定の位置における物体の厚さが明確に決まります 6,26,27。

差動測定の考え方28．

システムの動作を保証するために、超音波センサーが 2 つの測定ヘッドに配置され、その間をコンベア ベルトが移動します。 センサーは、2.5 m の長さに沿って互いに等距離に配置され、各測定ヘッドには 50 個のセンサーが付いています。 雲台は外部の三脚に取り付けられており、三脚の脚の間隔を変更することで位置を調整できます。 測定ヘッドを取り付けるこの方法により、デバイスの効果的な取り付けを妨げたり妨げたりする可能性のある、試験中に発生する可能性のある振動、ベルトの衝撃、および時間の経過とともに発生するコンベア構造の変形から独立して測定結果を得ることができます。 設計されたシステムをそれ自体の構造に取り付けることにより、システムをベルトの任意の平らな部分に取り付けることができるため、その動作はコンベアの支持構造から独立します29。 設計されたシステムの寸法図を図 3 に示します。

設計されたデバイスの図。

超音波センサーを使用してコンベアベルトの厚さを測定するという提案されたアイデアが直面する課題を解決できるかどうかを確認するために、実験室用の装置が作成されました (ポーランド特許、第 228973 号。厚さを測定する装置)コンベヤベルトの横方向および縦方向のプロファイルの変化を評価する）。 プロトタイプバージョンを構築する目的は、測定方法をテストし、産業用デバイスのコンポーネントを選択することでした29。 プロトタイプは、ヴロツワフ科学技術大学のベルト輸送研究所の実験室環境と、鉱山内の実際の環境の両方でテストされました。 プロトタイプシステムの測定ヘッドには、1.5 m のスパンにわたり、互いに 250 mm の距離で 2 つの測定ヘッドに配置された 7 対の超音波センサーが含まれています。 プロトタイプのデバイスでは、上部測定ヘッドの最初と最後に 2 つのレーザー距離センサーが追加で使用されています。 使用されたレーザー距離計の役割は、測定ヘッドの平行性を維持することです。両方のレーザー センサーの指示が同じ場合、ヘッドは互いに平行に配置されます。 図 4 は、鉱山で測定中のプロトタイプ バージョンを示しています。

プロトタイプは測定中に鉱山内のベルトコンベアに設置されました。

プロトタイプ システムのもう 1 つのコンポーネントは、生の測定データを受け取るアプリケーションです。 データを処理した後、アプリケーションはベルトの技術的状態に関するレポートを生成します。これには、ユーザーが選択した場所の長手方向および横方向のプロファイルを指定するグラフ、テープの 3 次元画像、および特性パラメータが含まれます。選択したプロファイル - ベルトの平均厚さ、最大および最小の厚さ。 測定結果はデー​​タグリッドを形成しますが、測定ヘッドに沿ったセンサーの配置が少ないため、3次元画像と等高線マップを生成する際、3次法（「3次エルミートスプライン」間の値を補間することによってグリッドが高密度化されました） ")、これによれば、クエリ点の値は、適切な各次元の隣接するグリッド点の値の三次補間に基づいています。 センサーの密度が高くなると、測定グリッドの密度が高まるため、ノード間で三次補間を使用する必要がなく、オブジェクトの表面をより適切に表現できます。 この場合、線形補間のみを使用して測定グリッドのノード間の値を計算するだけで十分です。

鉱山条件で実際の物体に対してテストを実施することで、湿気や埃が多いという困難な条件下でプロトタイプのデバイス、その動作モード、およびソフトウェアをテストすることができました。 テープの厚さを評価するには、ベルトの走行部分の平らな部分にデバイスを設置し、測定誤差を最小限に抑えるためにベルト ループを数回転させる必要があります。 測定データは、式 (1) で定義されるメーカー指定の式 30 に従って、離れた場所のセンサー出力から読み取られた電圧値をデコードした後、ファイルに保存されます。

ここで、\(d\) - 障害物からのセンサーの距離 (mm)、\(U\) - センサーの電圧 [V]。

測定データの分析により、ベルトの横断面または縦断面を作成したり、その特性パラメータをプロットしたりすることができます。 プロトタイプのテストでは、公称厚さ 18 mm の 10 年前に使用されたコンベア ベルトがテストされました。 このベルトはポーランドの地下鉱山の 1 つで使用されており、13 のセクションで構成されています。 図 5 は、ベルトの長さに沿ってランダムに選択された 2 つの点におけるベルトの断面を示しています。 ベルトの呼び厚さに対応する値は赤色でマークされています。 これは、7 組のセンサーが測定ヘッドに沿って配置されていましたが、ベルトの幅上にあったのは 5 組だけでした (1 組のセンサーは完全に範囲外 (U1) にあり、もう 1 組はベルトの端にありました) (U7))、最初と最後のセンサーのペアの兆候は、さらなる分析から除外されました。

コンベア ベルトの断面 - デバイスのプロトタイプのテスト。

表 1 は、図 5 に示す断面の最も重要なパラメータを示しています。

表面の損失 (横断面または縦断面) は、数値積分法である台形法を使用して決定されました。 選択されたセンサーのペアの全体の長手方向プロファイルについて、同様のグラフとパラメーターを決定できます。 図 6 は 3 対のセンサーの縦断面図を示し、表 2 はこれらの各断面を説明するパラメータをまとめています。

コンベヤー ベルトの全体的な縦断面図 - デバイスのプロトタイプのテスト。

すべての測定値を 3 次元グラフで視覚化することで、テープの 3 次元画像を表示し、重要なパラメータを計算できます。 図 7 は、テストされたコンベア ベルトの全長に沿った 3 次元画像と、1000 個のサンプルの距離にわたる近似画像を示しています。 3 次元画像の視覚化における測定グリッドは変更されておらず、測定で得られた値を持つノードのみが含まれています。 等高線マップの場合、グリッドのサイズはベルトの幅に沿って 10 倍に増加し、長さに沿って 200 ポイントに減少することで変更され、値は 3 次法を使用して補間されました。 等高線図を図 8 に示します。

テープの 3 次元画像 - デバイスのプロトタイプのテスト。

ベルトの等高線図 - デバイスのプロトタイプのテスト。

1 回の測定でユーザーが選択した位置の断面のパラメーターは技術的状態の評価をサポートしませんが、平均値と最小値、およびベルトに沿った表面損失のパーセンテージを示すグラフはサポートされません。により、ベルトの技術的な状態を評価しやすくなります。 このようなチャートを試験対象物について求めたものであり、その外観を図９および表３に示す。

ベルトの長さに沿った断面のパラメータ - デバイスのプロトタイプのテスト。

プロトタイプバージョンと比較して、工業用バージョンにはいくつかの変更が含まれています。 超音波センサーが変更されました。 ベルト速度を制御し、テープに沿って測定グリッドを均等に分布させるために、インクリメンタル エンコーダも追加されました。 測定ヘッドを外部スタンドに取り付ける方法が改良され、装置の設置が簡単かつ迅速に行えるようになりました。 実験室バージョンのデバイスで 2 つの追加のレーザー センサーを取り付けて並列性の維持をサポートするために使用されていたハードウェア メソッドは、ソフトウェア ソリューションに置き換えられました。測定を開始する前に、すべてのセンサーが自動的に校正されます。 測定ヘッドは、ヘッドの両側に垂直に配置されたモデルプレートを使用して、所定の距離にわたって広げられます。 使用するすべてのセンサーによって読み取られる距離は、使用するゲージ ブロックの幅と同じである必要があります。 ただし、いずれかのセンサー ペアの読み取り値が期待値と異なる場合、これらのセンサー ペアは自動的に再校正されます。

産業用バージョンで使用される超音波センサーは、20 ～ 250 mm の範囲で正確に動作することができ、結果は 0.1 mm の解像度で保存されます。 センサーは、-25 ～ + 70 °C の広い温度範囲で動作します。 このセンサーは侵入保護クラス IP67 を備えており、粉塵や水深 1 m30 までの短期間の水没に対して完全な耐性を備えています。

コンベアベルトに沿って読み取られた値を特定するために、インクリメンタルエンコーダが使用されました。このエンコーダの動作パラメータは、使用されるセンサーの動作パラメータと組み合わせることで、システム全体が 100 Hz の周波数で動作できるようになります 30,31。 この動作周波数により、1 m/s の速度で走行するベルトでは 1 cm ごと、7 m/s では 7 cm ごとに長手方向の分解能で測定を取得できます。

図 10 はこの装置の工業用バージョンの設計を示し、図 11 は実験室環境でのこの装置の組み立てを示しています。

デバイスの工業用バージョンのスキーム。

テストコンベアでの測定。

動作中のコンベアベルトの厚さを測定する装置の工業用バージョンは、標準交流電圧 230 VAC で駆動されますが、一時的な停電や停電の場合でも、最大 3 時間動作できます。内蔵バッテリーのおかげです。

産業用バージョンのデバイスには、実験室用バージョンと同様に、ソース データを処理するアプリケーションが含まれています。 プロトタイプアプリケーションに関連して、産業用アプリケーションのバージョンも強化されました。 センサーから受信したデータはリアルタイムでユーザーに表示されますが、測定を行った後に結果を表示することも可能です。 プロトタイプと同様に、プログラムは多数のグラフ（ユーザーが選択した場所の縦断および横断、3D画像）および各種統計を表示します。

コンベア ベルトの非侵襲的診断は、鉱業における輸送の継続性を維持する上で重要な問題です。 ベルト交換のコストは、鉱山における主要な輸送コストの 1 つです32。 したがって、コンベアベルトの技術的状態を管理し、異常に迅速に対応して防止することが非常に重要です。 特定の条件下でベルトの摩耗プロセスの速度を特定および予測することで、摩耗限界に達する瞬間を予測し、事前に採掘のダウンタイムを計画し、その結果に基づいて予防的なベルト交換の実行を決定することが重要です。技術的な状態。 プロジェクトの一環として、ベルトの厚さ、横方向および縦方向のプロファイルを連続測定するためのポーランド初のモバイルデバイスが構築されました。 コンベア ベルトのテストから得られたデータのおかげで、厚さやプロファイルを決定するだけでなく、一部の損傷 (例: 局所的な摩耗やカバーの破れ) を検出することもできます。

この設計された装置の利点は、コンベア ベルトの種類に関係なく、コンベア ベルトの厚さを測定できることです。 BeltSonic システムは、スチール コアを備えたベルトと繊維コアを備えたベルトの両方をテストできます。システムの操作における唯一の制限は、ベルト走行の平らな部分にシステムを取り付ける必要があることです。

提案された差動測定のアイデアと、独自の設計による測定ヘッドの組み立てにより、システムは、ベルトコンベアの動作に不可欠な多くの要因、つまり振動、ベルトの衝突、または起こり得る影響から独立して動作することができます。コンベヤの支持構造の変形。

実験室用バージョンの実装とテストにより、その修正が可能になり、その結果、構造が改良された新しい工業用バージョンの装置を構築することができました。 ヘッドのコンベア構造への取り付け方法を見直し、独立した構造とすることで、設置するコンベアの支持構造や振動に影響されずにシステムを動作させることが可能になりました。

プロトタイプシステムを使用してテストを実行し、測定ループを分析することで、潜在的な損傷に最もさらされている場所を特定できるため、より迅速な診断と異常の除去が可能になります。 コンベヤベルトの技術的状態の多くは、断面そのものの画像 (図 5) から見ることができます。これに基づいて、ベルトの摩耗率が断面のどの点で適切であるかを判断することができるからです。最高。

テープの縦断面を分析することで、ループ全体のプロファイルを評価できますが、テープの長さ全体に広がる測定データの量により、画像が判読できなくなる可能性があります。 図6に示す縦断面図は変化の速い関数であり、測定データ量の多さから肉厚が最も薄い場所や最も厚い場所を視覚的に判断することはできませんが、全体的な特性を評価することはできます。 多くの測定値の平均を求めることで、軸に沿った平均厚さの変化を評価することができ、個々の偏差を分析することで、測定部位の損傷 (カバーの破れ、穴、または擦り傷) を局所的に特定することができます。 エンコーダを使用することで、ループ内でこれらの障害を特定することができます。

表 1 および表 2 にリストされている残りのパラメータは、技術的条件の評価をサポートし、最小値と最大値などの両方のパラメータとコンベア ベルトの摩耗度をユーザーに示します。 パラメータ自体の分析、およびこれらのパラメータの時間の経過に伴う変化により、テスト対象の技術的状態をより適切に評価し、交換または修理の可能性について決定することができます。

コンベア ベルトの長さに沿って大量の測定データがあるため (この装置の工業用バージョンには 50 対のセンサーがあります)、各断面の個別の分析は実用的な解決策ではありません。 したがって、ユーザーは選択した断面パラメータの中で最も重要な値を決定でき、システムはコンベア ベルトの長さに沿った断面の位置に応じてそのコースを生成します。 図 9 のグラフは、ベルトの最小厚さおよび平均厚さの値と、表面損失の割合を示しています。 このデータを分析することで、最も摩耗した場所の位置を特定することができ、また、コンベア ベルトのカバーに潜在的な損傷が生じている可能性のあるセクションがどの部分にあるのかという質問に答えることもできます。

この装置の工業用バージョンは改良されており、超音波センサーは相互に 25 mm の距離に配置されており (実験用バージョンでは 250 mm の距離にあります)、これによりテープの厚さのより正確な画像が可能になりました。断面に。 この装置の工業用バージョンは改良されており、超音波センサーは相互に 25 mm の距離に配置されており (実験用バージョンでは 250 mm の距離にあります)、これによりテープの厚さのより正確な画像が可能になりました。次の記事では、実験室と実際の条件の両方での産業用デバイスのテスト結果を示し、新しいテストの結果を解釈して、摩耗率と残存率を予測するために使用します。ベルトの寿命。

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この論文は、Grant、No: 0227 / L-10/2018 によって財政的に支援されました。

ポーランド、ヴロツワフのヴロツワフ科学技術大学コンピューターサイエンスおよび電気通信学部

アガタ・キルヤヌフ＝ブワジェ & トマシュ・コズウォフスキ

ヴロツワフ科学技術大学、鉱山地球工学および地質学部、ヴロツワフ、ポーランド

リシャール・ブワジェ、レシェク・ジュルジアク、アレクサンドラ・ジェシェフスカ

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RBとTKは鉱山で研究を行いました。 LJ、AKB、ARは記事に含まれる計算を行った。 著者全員が原稿をレビューしました。

アガタ・キルヤヌフ＝ブワジェへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

キルヤヌフ＝ブワジェイ、A.、ブワジェイ、R.、ジュルジアク、L. 他水平搬送におけるコンベアベルトの厚さを測定するための革新的な診断装置。 Sci Rep 12、7212 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-11148-1

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受信日: 2021 年 12 月 30 日

受理日: 2022 年 4 月 6 日

公開日: 2022 年 5 月 4 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11148-1

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