具有自检功能的带式输送机智能托辊组

577 编辑：中冶有色技术网来源：中国矿业大学

2023-11-22 11:13:27

权利要求书： 1.一种具有自检功能的带式输送机智能托辊组，其特征在于：包括通信辊、发电辊、数据处理辊、托辊架和供电及数据线路；所述通信辊、数据处理辊和发电辊均安装在托辊架上，由供电及数据线路相互连接，通信辊与发电辊分别安装在托辊架的左右两侧，数据处理辊安装在托辊架的中部；所述通信辊、发电辊和数据处理辊均包含托辊、传感器模块、供电及数据线路；其中托辊由托辊辊体和托辊轴组成，托辊轴为中空轴，套装在托辊辊体上，中空部分用于布置供电及数据线路；传感器模块搭载多种传感器，用于采集托辊状态数据；

所述通信辊设置有无线通信模块，无线通信模块安装在通信辊外部，利用托辊轴的通孔固定在托辊轴的一端；所述数据处理辊设置有数据处理模块，数据处理模块安装在数据处理辊内部，该模块通过供电及数据线路接收通信辊、发电辊及其自身的传感器数据，用于对接收到的信号进行处理并判断托辊的健康状态；所述发电辊设置有自发电模块，为通信辊和数据处理辊供电；

所述自发电模块为一个Halbach阵列外转子发电机，包括：转子、Halbach永磁体阵列、定子铁芯和线圈；其中Halbach永磁体阵列由若干个永磁体组组成，每个永磁体组内，各个永磁体的充磁角度相差90°；其中，永磁体固定在转子上，转子外侧与托辊辊体相连；线圈缠绕在定子铁芯上，定子铁芯与托辊轴固连。

2.基于权利要求1所述的带式输送机智能托辊组的一种自检方法，其特征在于：该自检方法包括以下步骤：

（1）由发电辊中的自发电模块产生电能，并通过供电及数据线路将电能传输给发电辊、通信辊和数据处理辊中的用电设备；

（2）由通信辊、数据处理辊和发电辊内布置的传感器模块采集托辊的各种状态数据，并传输给数据处理辊内安装的数据处理模块；

（3）数据处理模块对状态数据进行A/D转换和信号调理，然后通过对比预先设置的传感器阈值判断托辊的健康状态；

（4）数据处理模块将托辊的状态数据发送给通信辊外的无线通信模块，并通过无线通信模块发送给上位机或其他外部接收设备，进而实现托辊组的自检。

说明书：一种具有自检功能的带式输送机智能托辊组技术领域

本发明属于智能检测技术领域，具体来说是一种具有自检功能的带式输送机智能托辊组。

背景技术

托辊主要用于支撑输送带和物料重量，是带式输送机的重要部件。托辊本身结构简单、成本低廉，被大量、均匀的布置在带式输送机上。在工业生产环境下，带式输送机往往运输距离长、作业强度大、所处环境恶劣，容易产生托辊磨损、停转等故障，进而诱发皮带划伤、皮带撕裂、输送机火灾等重大事故，因此对托辊的日常检测十分重要。目前常用的检测手段为人工巡检，但人工巡检的检测里程长、待测托辊多、检测技术落后，其检测精度和检测效率不能满足带式输送机，尤其是大型带式输送机托辊的日常检测要求。

针对这一问题，国内外专家研发了相关巡检机器人或移动检测平台，但受限于检测设备的体积结构、供能方式、传感器检测范围等问题，在井工煤矿、石油石化、化工燃气等有空间或用电限制的运输场合都难以实际应用。还有学者提出了自供能自检型托辊，此类托辊将供能、检测和通信设备安置在托辊内部，虽然该托辊能够在不使用外部能源的前提下，实现托辊自检，但其自供能自检设备的价格是托辊本体的几倍，在带式输送机上大规模布置的成本过高，因此也没有投入实际使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对井工煤矿、石油石化、化工燃气等有空间或用电限制场景下的带式运输设备托辊检测问题，设计了一种具有自检功能的带式输送机智能托辊组。

为解决上述问题，本发明提出如下技术方案：一种具有自检功能的带式输送机智能托辊组，包括通信辊、发电辊、数据处理辊、托辊架和供电及数据线路；所述通信辊、数据处理辊和发电辊均安装在托辊架上，由供电及数据线路相互连接，通信辊与发电辊分别安装在托辊架的左右两侧，数据处理辊安装在托辊架的中部；所述通信辊、发电辊和数据处理辊均包含托辊、传感器模块、供电及数据线路；其中托辊由托辊辊体和托辊轴组成，托辊轴为中空轴，套装在托辊辊体上，中空部分用于布置供电及数据线路；传感器模块搭载多种传感器，用于采集托辊状态数据；

所述通信辊设置有无线通信模块，无线通信模块安装在通信辊外部，利用托辊轴的通孔固定在托辊轴的一端；所述数据处理辊设置有数据处理模块，数据处理模块安装在数据处理辊内部，该模块通过供电及数据线路接收通信辊、发电辊及其自身的传感器数据，用于对接收到的信号进行处理并判断托辊的健康状态；所述发电辊设置有自发电模块，为通信辊和数据处理辊供电。

进一步的，所述自发电模块为一个Halbach阵列外转子发电机，包括：转子、Halbach永磁体阵列、定子铁芯和线圈；其中Halbach永磁体阵列由多组永磁体组成，每组永磁体阵列内，各个永磁体的充磁角度相差90°；其中，永磁体固定在转子上，转子外侧与托辊辊体相连；线圈缠绕在定子铁芯上，定子铁芯与托辊轴固连。

本发明还提出一种基于所述的带式输送机智能托辊组实现的自检方法，步骤如下：

(1)由发电辊中的自发电模块产生电能，并通过供电及数据线路将电能传输给发电辊、通信辊和数据处理辊中的用电设备；

(2)由通信辊、数据处理辊和发电辊内布置的传感器模块采集托辊的各种状态数据，并传输给数据处理辊内安装的数据处理模块；

(3)数据处理模块对状态数据进行A/D转换和信号调理，然后通过对比预先设置的传感器阈值判断托辊的健康状态；

(4)数据处理模块将托辊的状态数据发送给通信辊外的无线通信模块，并通过无线通信模块发送给上位机或其他外部接收设备，进而实现托辊组的自检。

本发明的有益效果：与其他托辊检测技术相比，本发明提出的具有自检能力的带式输送机智能托辊组可以在不占用额外空间，不使用额外供电设备的前提下同时实现一个托辊轴内三根托辊的实时智能检测。与现有自检型托辊相比，本发明将自发电、数据处理和无线通信模块分置于一个托辊组内的三根托辊之中，在不影响检测性能的前提下，大幅度降低了单根托辊的检测成本，增加了检测资源的利用率，推动了托辊自检技术的实际应用。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为通信辊结构示意图；

图3为数据处理辊结构示意图；

图4为发电辊结构示意图；

图5为自发电模块结构示意图；

图6为托辊组自检流程图；

图中：1通信辊；1-1托辊；1-1-1托辊辊体；1-1-2托辊轴；1-2传感器模块；1-3无线通信模块；2数据处理棍；2-1数据处理模块；3发电辊；3-1自发电模块；3-1-1转子；3-1-2Halbach永磁体阵列；3-1-3定子铁芯；3-1-4线圈；4供电及数据线路；5托辊架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明提出了一种具有自检功能的带式输送机智能托辊组，包括通信辊1、数据处理辊2、发电辊3、供电及数据线路4和托辊架5。通信辊1、数据处理辊2和发电辊3均安装在托辊架5上，由一条供电及数据线路4相互连接。由于托辊组的各类功能模块必须有电能供给才能正常运转，而部分带式输送机在空载或轻载条件下皮带难以接触中部托辊，会导致发电辊3的发电功能因托辊不能自转而失效，因此发电辊3不应安装在中部；而对于通信辊1，其托辊轴1-1-2一端安装有无线通信模块1-3，托辊架5的中部安装位没有足够的安装空间；所以三种托辊在具体安装时，通信辊1与发电辊3应分别安装在托辊架5的左右两侧，数据处理辊2应安装在托辊架5的中部。

如图2至图4，所述通信辊1、发电辊3和数据处理辊2均包含托辊1-1、传感器模块1-2、供电及数据线路4。其中托辊1-1由托辊辊体1-1-1和托辊轴1-1-2组成，所述托辊辊体1-1-1与常规托辊尺寸结构相同，可以与普通托辊相互替换。托辊轴1-1-2为中空轴，套装在托辊辊体1-1-1上，其上通孔用于布置供电及数据线路4；传感器模块1-2可搭载多种传感器，本实施例中以温度传感器、加速度传感器和转速传感器为例说明其功能及原理，具体实施时可根据实际需求选用其他传感器，根据本实施例所搭载传感器类型，传感器模块能够采集托辊温度、振动和转速数据。

如图2所示，通信辊1还设置有无线通信模块1-3，无线通信模块1-3安装在通信辊1外部，利用托辊轴1-1-2的通孔固定在托辊轴1-1-2的一端。具体实施时，该模块可采用ZigBee、WIFI或其他无线通信形式，具备与其他外部设备间的无线信息接收与发送功能。

如图3所示，数据处理辊2还设置有数据处理模块2-1，数据处理模块2-1安装在数据处理辊2内部，该模块可通过供电及数据线路4接收通信辊1、发电辊3及其自身的传感器数据。对接收到的信号进行A/D转换和信号调理后，通过对比预先设置的传感器阈值判断托辊的健康状态。

如图4所示，发电辊3还设置有自发电模块3-1。自发电模块3-1为一个Halbach阵列外转子发电机，包括转子3-1-1、Halbach永磁体阵列3-1-2、定子铁芯3-1-3和线圈3-1-4。其中Halbach永磁体阵列3-1-2由多组永磁体组成，在本实施例中为4组共16块永磁体，每组永磁体阵列内，各个永磁体的充磁角度相差90°。其中，永磁体固定在转子3-1-1上，转子3-1-1外侧与托辊辊体1-1-1相连，线圈3-1-4缠绕在定子铁芯上3-1-3，定子铁芯3-1-3套装在托辊轴1-1-2上。当托辊辊体1-1-1在皮带的摩擦力作用下转动时，Halbach永磁体阵列3-1-2与线圈3-1-4之间产生相对转动，将机械能转化为电能，为托辊组用电设备供电。

如图6所示，本实施例中所述托辊组的自检流程为：

(1)当带式输送机运转时，皮带带动发电辊3的托辊辊体1-1-1自转，使发电辊3中的自发电模块3-1产生电能，并通过供电及数据线路4将电能传输给通信辊1、数据处理辊2和发电辊3中的各类用电设备；

(2)由通信辊1、数据处理辊2和发电辊3内布置的传感器模块1-2采集托辊的温度、振动、转速等状态数据，并通过供电及数据线路4传输给数据处理辊2内安装的数据处理模块2-1；

(3)数据处理模块2-1对状态数据进行A/D转换和信号调理，然后通过对比预先设置的传感器阈值判断托辊的健康状态；

(4)数据处理模块2-1将托辊的状态数据经由供电及数据线路4发送给通信辊1的无线通信模块1-3，并通过无线通信模块1-3发送给上位机或其他外部接收设备，进而实现托辊组自检和状态信息的上传。