带式输送机因具有运量大、运距长、效率高、可连续运输、工作安全、噪声小等特点，已成为我国煤矿井下主运输（原煤输送）的主要运输设备之一。带式输送机在我国煤矿的应用经历了从通用到特殊、小型到大型、单机到成套的发展历程。21世纪以来，随着工业制造水平的提高和电子信息技术的发展，带式输送机的技术发展呈现出大运量、高带速、大功率、长运距、多机型等特点，应用范围涵盖了大中小型井工矿和露天矿的散料运输。
当前全球正出现以人工智能、大数据、智能制造、仿真技术为代表的新一轮技术创新浪潮，通过信息网络技术的应用，使得产品功能设计、制造、运行和管理等向信息化、智能化方向发展，促进了煤矿带式输送机的智能化发展。2020 年 2 月国家八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了发展目标、主要任务以及保障措施等内容。到2035年，各类煤矿要基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。围绕满足“智慧矿山”生产需要，立足煤矿安全、高效、绿色、低碳、智能开采的新形势和新要求，煤矿带式输送机领域的科技创新以高可靠性设计、高效软启动及功率平衡技术、动态分析技术、智能感知技术、无人巡检技术、智能化运维管理等关键技术为突破口，攻克制约设备在设计、制造和运行过程中的技术瓶颈，加强基础和核心技术研究，实现我国井工和露天煤矿主运输系统的节能低耗和智能化发展。
1 带式输送机关键技术现状分析
近年来，煤矿带式输送机领域的科技创新主要围绕高效软启动及功率平衡技术、输送带动力学研究、运行稳定性和可靠性研究、智能感知技术、无人巡检技术、智能控制技术和智能化运维等方面发展。
1）在高效软启动及功率平衡技术方面， 近几年永磁变频同步直驱系统在煤矿带式输送机得到广泛应用。永磁直接驱动技术作为高效节能的新型软启动和功率平衡技术，已逐步取代原有的液力偶合器、CST和交流变频调速等传统方式。与传统方式相比，永磁直驱技术效率更高，特别轻负载情况下，节能效果更为明显。对于整个驱动系统而言，取消了减速器，不仅提高系统的传递效率，还大幅减小了现场设备维护量，提高了可靠性。根据国家安标中心公布，目前我国开发的永磁直驱同步电动机功率从30~1 600 kW，电压等级涵盖380/660/1 140/3 300/6 000/10 000 V等各个等级，常用转速范围60~90 r/min，其中已在煤矿井下应用的单机功率已达800 kW。另外，国内已开发出315 kW/1 140 V隔爆型永磁电动滚筒驱动系统，并取得了一些应用，虽存在一些技术缺陷，但也为未来带式输送机驱动系统的升级换代提供了一个新的思路和发展方向。
2）我国输送带动力学行为的研究取得了一定的进展，东北大学、上海煤科等科研单位已开发出带式输送机动态分析软件，并在一些长距离大运量带式输送机上取得了较好的应用效果。上海煤科院、浙江双箭公司等还研制了输送带压陷阻力测试试验台，为低阻力轻量化输送带的定量化分析验证提供检测手段。低阻力轻量化输送带取得了一定的突破。一是输送带厂家通过提高覆盖胶的耐磨性的前提下降低厚度，保证钢丝绳强度不变的情况下减小钢丝绳直径，从而降低输送带质量，达到降低阻力的目的，如青岛华夏公司研制的HHE钢丝绳芯输送带；二是研制出新型非金属带芯高强度输送带，如帝人（Twaron）公司的芳纶带，最大带强可达到3 500 N/mm。高速低阻力托辊的研究与应用也取得了一定的进展。一是随着制造成本的降低，非金属托辊在煤矿地面和井下取得了一定的应用；二是神东煤公司研制出了不锈钢托辊，可大幅度降低托辊旋转阻力。目前大多数煤矿带式输送机的托辊间距已经固化，对于短距离带式输送机的影响不大。而对于长距离带式输送机，不仅造成设备选型增大、初期投资增加，还大幅增加了系统运行能耗和维护成本。国内研究机构已关注到此问题，优化、调整托辊间距，减少输送机摩擦阻力，降低带强和驱动功率。
3）带式输送机运输系统运行的稳定性和可靠性不仅取决于各部带式输送机的运行稳定性和可靠性，还取决于转载点的设计是否合理。如设计不合理，不仅造成物料粘附、堵料、粉尘、噪声等问题，严重时还可能造成安全生产事故。煤流转载离散元（EDEM）分析技术可模拟煤流运行过程中的动态行为特征，协助设计人员对无动力防堵抑尘转载溜槽和全密封导料槽进行设计、测试和优化，可极大地降低故障率、提高生产效率、节约生产成本。个性化定制特种机型也是一种节能手段。对于同一运输巷道内实现向井上运煤、向井下运料（巷道回填）的煤矿，采用上下带双向运输的特种带式输送机比分别铺设2条带式输送机大幅节省投资和运行维护成本。
4）随着视频分析技术、人工智能的发展，带式输送机的智能感知技术也得到较快发展。通过视频图像分析技术，宁夏广天下电子公司、上海煤科院均研制了带式输送机实时煤量检测、异物识别等设备，可作为带式输送机智能调速的依据，同时及时识别出输送带上的异物可以避免人员和财产损失。天地科技常州研究院等煤矿监测设备企业在立项研究通过视频图像分析检测带式输送机带面纵向撕裂、钢丝绳断芯、转载点堵塞、堆煤等故障。随着煤矿开采机械化与自动化水平提高，大型关键装备的安全可靠性和可维护性直接影响煤矿安全生产，北京天地龙跃公司、上海煤科院等开发的机械故障诊断系统，通过及时准确地采集设备的运行信息，对设备轴承、齿轮、电机等易损部件振动、温度等信号在线监测，利用集成故障智能分析软件的嵌入式诊断分析仪器，自动识别异常和故障特征，实时智能诊断设备异常和故障原因、类型、严重程度，及时发现和预防设备潜在故障，提高异常和故障隐患排除的实时性。
5）带式输送机智能控制技术可以实现带式输送机的节能、高效和可靠运行。通过启停自适应控制、煤量自适应调速、多级协同控制、煤流均衡技术等，提高带式输送机的运载效率，平衡各驱动电机的出力，达到节能减排，降低损耗，延长设备使用寿命的经济效益，减少频繁调速，溢煤，洒煤和重载，并满足现代化采煤工业的要求。煤流均衡技术根据原煤块度、输送量、运行速度等原始参数优化、调整带式输送机的运行速度，达到节能的目的。上海煤科院在其承担的“863项目”自动化高可靠性巷道带式输送机中，实现了基于现场总线技术、以太网技术和智能最优化控制技术的煤流均衡控制系统，可根据系统需要自动调整运行速度，调速范围从10%~100%额定带速连续可调，在同煤集团同忻煤矿进行工业试验过程中，日均增加有效运行时间1.5 h，日均增加产量4 500 t，日均产生直接经济效益135万元。虽然煤矿带式输送机自动化水平有了长足的发展，但和其他工业控制系统相比，其实际自动化水平运行水平仍然较低，用工数量多。同时运输系统普遍存在空载、轻载运行时间长导致运行能耗高的问题。
6）无人巡检技术采用巡检机器人对带式输送机沿线托辊损坏、断带、纵撕、跑偏、打滑、堆煤、火灾等各种事故的有效检测。目前，国内外关于地面上的巡检机器人取得了不少技术积累，但在煤矿井下这种高瓦斯、高湿度、多粉尘、光照差的等恶劣条件下，机器人技术的发展一直受到了各种限制，煤矿特种机器人方面的应用仍处于初级阶段。国内诸如中信重工开诚公司、山西戴德公司、山西科达自控公司、中国矿业大学等逐步研发矿井轨道式巡检机器人。中信重工开诚公司生产的矿用隔爆兼本安型轨道式巡检机器人本体吊挂在轨道上在巷道内往复运行，实现巡检任务，山西科达自控公司所产的巡检机器人与中信重工开诚公司较为相似。山西戴德研发的矿用智能巡检机器人选用工字型轨道作为机器人的行走机构，可执行定时巡检任务。
7）与带式输送机智能化运行配套的智能化运维管理平台是目前市场上现存产品的短板。传统自动化控制采集设备运行、故障信息并实现控制和监视功能，缺少设备的管理功能，同时未实现数据的共享、深度融合和利用。缺少统一的管理平台，带式输送机设备与煤矿自动化系统、供电系统等外围系统连接，实现数据共享，建立设备数据库，方便设备管理。同时煤机装备分布在全国各地，运维人员较为分散，对管理人员带来较大的管理成本。通过信息化手段不仅可以提高中心客服对客户的响应速度，而且可以有效帮助管理者更好的调配员工。由于带式输送机规格、驱动方式、控制方式、部件数量和输送长度等均有差异，造成带式输送机在智能化道路上发展较慢。
2 有待解决的问题与挑战
目前我国煤矿带式输送机发展中在基础材料研究、动态分析、关键部件设计和优化、输送带纵向撕裂检测、异物识别、故障诊断、无人巡检和智能化运维方面面临的主要问题和挑战包括：
1）亟需开展低压陷阻力输送带的相关理论研究和数据测试研究工作，降低带式输送机模拟摩擦系数的设计基准；技术难题在于根据高分子材料动态性能建立橡胶的准确数学模型，这也是研究低阻力输送带的基础。
2）开发的带式输送机动态分析软件与国外已经商业化的分析软件，在黏弹性模型、软件性能、分析结果等方面存在较大差距。我国带式输送机动态分析研究起步较晚，进展缓慢，未形成统一的动力学分析理论和实用的工程分析系统，在工程应用中更是很少，具体体现在国内设计的带式输送机功率和带强均明显高于国外。
3）自动张紧装置的智能化控制技术和动态响应能力有待提高，同时使张紧的响应速度与张紧车所需要的移动速度匹配,满足输送机启动、停车等各种动态工况。在大功率长距离带式输送机上液压张紧装置的动态响应速度不够，造成输送带打滑、过张紧等问题。
4）非金属托辊的可靠性还需要进一步验证，耐高温特性需要提高；不锈钢托辊因其采用专用低阻力轴承、专用密封、专用油脂和不锈钢辊体而造价高昂，目前推广应用较少；高速托辊技术研究相对滞后，目前国内托辊的转速不超过600 r/min。托辊布置的间距固化，未根据具体运量、带速及输送机类型等参数进行优化设计。
5）输送带纵向撕裂检测滞后，为减少输送带纵向撕裂事故的发生，国内外已研究出许多防撕裂保护装置，按类型区分主要有接触式检测系统和非接触式检测系统2大类，都是基于输送带撕裂后所发生的状况来展开的，如棒型检测、线型检测、摆动托辊检测等都是基于异物瞬间刺穿输送带后触发检测装置，但现实情况是锚杆等异物无法瞬间穿透，而是慢慢划通，此时输送带已经受损严重，即便检测出来也已失去意义。
6）异物识别、堆煤等采用视频图像分析技术易受外界因素和图像噪声影响，需要采用多种滤波方法，提取特征值，算法较复杂。
7）故障诊断和识别准确度较差，目前研究带式输送机机械设备故障诊断的煤机设备企业很多，但是受到检测手段有限和诊断算法的影响，未能在煤矿上大规模推广。
8）带式输送机巡检机器人存在下述3方面问题：①行走驱动方式，机器人通常以轨道式方式行进，但普遍将锂电池直接作为机器人行走的动力源，机器人的防爆设计使得本体变得笨重，最终导致爬坡难、功耗高、续航差。②功能不足，机器人的巡检功能无法满足矿上实际需求，由于轨道式行走驱动方式的局限性，导致带式输送机的部分设备（如减速机、伺服电机等设备）无法监测，巡检功能根本无法满足实际需求。③电池充电困难，机器人搭载的电池容量较大，无法在井下直接充电或更换，通常在一个工作周期后返回井上充电。
9）带式输送机托辊缺少唯一编号和标识，不利于辨识、维修和查找。目前带式输送机托辊均按标准化生产，采用巡检机器人巡检出故障托辊，不易查找。煤矿设备信息化建设水平落后，大多采用台账式管理，影响煤矿设备运行、管理、维护及相关设备数据库的融合和利用。
10）煤矿设备信息具有保密性，设备投入生产后，煤机设备生产厂家无法取得设备数据接入许可，煤机设备的智能化运维受阻。
3 技术展望
节能环保是煤矿带式输送机技术发展趋势之一。未来，永磁驱动技术将进一步与煤矿带式输送机深度融合，产生新一代高效集成永磁（滚筒）驱动系统；采用动态设计优化带式输送机布置，优化软启动和功率平衡控制策略，驱动张紧协同控制，减小系统动张力，降低输送带选型，降低系统能耗，降低单位运输成本，提升生产效率。基于多传感器融合技术的新型带式输送机运行工况感知技术研究，实现带式输送机带面纵向撕裂、钢丝绳断芯、转载点堵塞、堆煤、运输系统异物识别。通过视频分析、智能感知、自动控制、信息通信技术，建立带式输送机智能集控系统，代替固定人员值守，实现带式输送机的安全高效运行，具有良好的经济效益。
在带式输送机的日常检查和维护中，托辊沿输送机全长分布，是其损坏的主要部件，约占整机质量的30%，价格占整机的20%~30%。通过巡检机器人和各种传感器可以检测到带式输送机托辊的运行和损坏情况，发现有损坏需要检修和更换，目前也有一些手动托辊更换器，但是这种设备可靠性差、自动化程度低，不利于实现矿井无人化运行。未来随着煤矿智能化技术的发展，托辊更换机器人会成为带式输送机无人化技术的重要装备。
随着机械化自动化程度的不断深入、物联网技术以及无线传感器的应用。带式输送机托辊的发电技术，可以有效解决井下无线传感器供电问题，采用物联网和虚拟现实技术可以实现带式输送机的可视化。利用托辊发电的关键是设计一种适合于煤矿带式输送机托辊发电机，托辊发电机设计需关注是否满足防爆标准、合理的质量、托辊发电的容错性和2台发电机与传动轴承之间的同心同轴度。与传统电池相比，托辊发电不仅实现了能源的再次利用，而且还保证了传感器的持续供电，减少了人员更换电池的时间。托辊发电技术带来的不仅是持续稳定的供电保障，更多的是能源的再次利用，为今后矿井的设备的建设和发展提供了新的思路。
带式输送机市场已有增量市场向存量市场转变，提高现存市场带式输送机的运行效率、维护管理水平是带式输送机技术发展的重要方向，同时也是煤炭企业的普遍需求。智能化运维可以为煤矿企业提供带式输送机故障预测、维护检修建议、设备使用数据统计；可减少故障停机时间、专业的维护检修规划和设备管理。同时可对所售带式输送机进行集中管理，保持与业主的紧密联系，实时获取备品备件信息。根据带式输送机的运维数据，获取业主的实际需求，也可提高带式输送机的设计水平和控制工艺。智能化运维利用大数据、云平台、全生命周期管理、远程故障诊断、检修机器人、智能运维、基于VR/AR/MR的数字孪生等技术与装备的应用，以期实现煤矿生产活动中“人、设备、系统”三大要素的准确协同形成生产合力，即通过先进的数字化手段，高效协同矿山安全生产中“人、设备、系统”资源的配合，确保在正确的时间以正确的方式把正确的消息传递给正确的人，以便及时做出正确的决策，从而达到“集中远控、无人值守、设备在线监测和故障预警”的建设目标，实现矿山智能化和无人化安全生产经营水平提升。
4 结 论
综合国内外煤矿带式输送机装备在节能和智能化方面的现状、存在的问题和发展趋势。目前国内外应用的带式输送机系统从实际应用效果来看还无法满足井下煤流运输无人值守要求，其关键和难点包括煤矿带式输送机的巡检、故障分析和诊断算法、工况智能感知和大数据信息平台管理。
随着煤矿装备智能化管理的发展趋势，通过采用新技术、新材料、新工艺等多种手段实现带式输送机的节能；通过采用先进的视频图像识别技术、无人巡检技术、智能控制技术和大数据平台，基于物联网和大数据技术构建远程运维系统，是带式输送机智能化发展的重要支撑。煤矿带式输送机系统采用智能感知、故障诊断、自动控制、信息融合等技术，以数字化胶带机监控系统为基础，以煤矿带式输送机系统运行智能化、煤流协同运行智能化为重点，以煤料量检测、转载点堵塞、输送带撕裂、无人巡检、故障诊断等关键工况监测为突破，实现煤矿带式输送机安全、高效、智能运行。以期实现“集中远控、无人值守、设备在线监测和故障预警”的建设目标。
