Innovador dispositivo de diagnóstico para la medición del espesor de cintas transportadoras en transporte horizontal

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 7212 (2022) Citar este artículo

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El diagnóstico de las cintas transportadoras utilizadas en el transporte horizontal sin necesidad de retirar la cinta del transportador y probarla en condiciones de laboratorio es un aspecto importante en las plantas mineras (Jurdziak et al., Adv Intell Syst Comput, 835:645–654, 2019) . Las pruebas actuales, y así obtener conocimiento sobre el espesor actual de las cubiertas de las cintas transportadoras, permiten controlar los cambios acelerados. También evita paradas de emergencia en el funcionamiento del transportador y permite planificar económicamente una interrupción en su funcionamiento. El artículo presenta el concepto del primer dispositivo móvil en Polonia para medir el espesor de cintas transportadoras en movimiento, implementado como parte del proyecto NCBR (No. 0227 / L-10/2018 [programa LIDER, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, 1 (47)/2020, pp. 60–61]), y también presenta los resultados de medición obtenidos gracias a la versión de laboratorio del dispositivo.

La vida útil de la cinta transportadora depende de muchos factores presentados en la literatura3, incluido el tipo de material transportado, la especificidad del punto de transporte, así como la longitud y el estado de la cinta transportadora. La figura 1 muestra un diagrama de construcción de una cinta transportadora utilizada en minería4.

Diagrama de la cinta transportadora.

La parte más cara y de emergencia del transportador es la cinta. Se estima que su coste es aproximadamente el 60% del coste de todo el transportador5. Durante su funcionamiento, está expuesto a fenómenos desfavorables que reducen significativamente su durabilidad: abrasión, estiramiento, desgarro, corte, agrietamiento, delaminación y condiciones de trabajo desiguales debido a condiciones de operación variables (temperatura, atmósfera, carga, rayos UV, fuerza de tensión de la correa, fricción). ). Los requisitos para los fabricantes de cintas transportadoras definen la cinta como un producto de alta calidad, lo que a su vez se traduce en su coste. Lo más importante es su diagnóstico y detección rápida de posibles irregularidades cuando aún es posible eliminarlas. Una potencial falla de una cinta transportadora genera costos relacionados no sólo con su reparación, sino también con paradas forzadas en el transporte y pérdidas de producción5,6.

La especificidad de las END (ensayos no destructivos) supone que durante el examen del objeto (en este caso, la cinta transportadora) no se degrada y su estructura y propiedades no cambian. Los métodos basados ​​en END están ganando cada vez más atención en el diagnóstico del estado técnico de las cintas transportadoras7. Anteriormente, la investigación se centraba únicamente en los componentes individuales del transportador: correas8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, transmisiones18, ruedas guía19 o cajas de cambios20,21.

Muchos investigadores de todo el mundo han desarrollado numerosos sistemas para el diagnóstico de cintas transportadoras5. Algunos de los métodos disponibles se utilizan para diagnosticar el estado de las cubiertas, otros para detectar daños en el núcleo de acero dentro del caucho22,23. En la era de la Industria 4.0, instalar un sensor en el objeto probado, y luego recopilar datos y luego procesarlos, conduce a la mejora del proceso de investigación y al control de la continuidad del punto de trabajo y de diversos tipos de amenazas1.

El objetivo del proyecto implementado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Wroclaw es desarrollar un nuevo dispositivo para medir el espesor y evaluar los cambios en el perfil transversal y longitudinal de las cintas transportadoras, así como crear su versión industrial.

La parte más importante del dispositivo diseñado es el sensor de distancia ultrasónico. El sensor consta de dos elementos piezoeléctricos, uno en modo transmisor y otro en modo receptor. El transmisor emite una onda ultrasónica, es decir, una onda con una frecuencia superior al límite superior de audibilidad para el oído humano (más de 20 kHz), que se propaga por el espacio y se refleja en el obstáculo. El eco es captado por el receptor y el tiempo transcurrido desde la transmisión de la onda hasta su recepción, medido dentro del sensor, determina claramente la distancia entre el sensor y el obstáculo. La onda ultrasónica emitida se propaga por el aire a una velocidad constante y conocida, dependiendo de los parámetros del medio, principalmente la temperatura, pero también la humedad. La onda sonora es una onda mecánica, por lo que se propaga como una perturbación del medio. La temperatura se define como la energía cinética promedio de una molécula, por lo que un cambio de temperatura cambia la velocidad de las moléculas y, por tanto, la velocidad de propagación de las ondas. Para compensar la velocidad variable de la onda ultrasónica en función de la temperatura, los sensores ultrasónicos tienen una función de compensación de temperatura incorporada24.

Los sensores ultrasónicos industriales disponibles en el mercado utilizan frecuencias de 25 a 500 kHz, y la frecuencia de funcionamiento del sensor es inversamente proporcional al rango de distancia25: las ondas con frecuencias más bajas se utilizan para detectar objetos a distancias mayores y las ondas con frecuencias más altas se utilizan para detectar objetos más cerca.

La idea de la medición del espesor se basa en una medición diferencial: se coloca un sensor ultrasónico tanto encima como debajo del objeto analizado. La idea de la medición se presenta en la Fig. 2. El sensor colocado encima del objeto probado determina la distancia descrita por el símbolo \(X_{1}\), y el sensor colocado debajo del objeto—\(X_{2}\ ). Conocer la distancia entre los sensores encima y debajo del objeto (aquí marcado con la letra \(A\)) determina claramente el grosor del objeto en una ubicación determinada6,26,27.

La idea de medición diferencial28.

Para garantizar el funcionamiento del sistema, se colocan sensores ultrasónicos en dos cabezales de medición, entre los cuales se mueve la cinta transportadora. Los sensores están colocados a distancias iguales entre sí, a lo largo de una longitud de 2,5 m, con 50 sensores en cada uno de los cabezales de medición. Los cabezales están sujetos a trípodes externos, cuya posición se puede ajustar cambiando la separación de las patas del trípode. Este método de montaje de los cabezales medidores permite que los resultados de las mediciones se realicen independientemente de las vibraciones, impactos de la correa que puedan ocurrir durante las pruebas, así como deformaciones de la estructura del transportador que se produzcan con el tiempo, que puedan dificultar o impedir el montaje efectivo del dispositivo. La instalación del sistema diseñado sobre su propia estructura permite instalar el sistema en cualquier tramo plano de la cinta, independizando así su funcionamiento de la estructura de soporte del transportador29. En la Fig. 3 se muestra un diagrama del sistema diseñado con dimensiones.

Diagrama del dispositivo diseñado.

Para comprobar si la idea propuesta de medir el espesor de la cinta transportadora con el uso de sensores ultrasónicos cumplirá con los desafíos que enfrenta, se realizó una versión de laboratorio del dispositivo (patente polaca, n.° 228973. Dispositivo para medir el espesor y evaluación de cambios en el perfil transversal y longitudinal de la cinta transportadora). El objetivo de construir una versión prototipo era probar el método de medición y seleccionar los componentes del dispositivo industrial29. El prototipo fue probado tanto en condiciones de laboratorio, en el Laboratorio de Transporte por Cinta de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Wroclaw, como en condiciones reales, en la mina. Los cabezales de medición del sistema prototipo incluyen 7 pares de sensores ultrasónicos dispuestos en dos cabezales de medición a una distancia de 250 mm entre sí, en una extensión de 1,5 m. El dispositivo prototipo utiliza además dos sensores de distancia láser al principio y al final del cabezal de medición superior. La tarea de los telémetros láser utilizados era ayudar a mantener el paralelismo de los cabezales de medición: los cabezales están ubicados paralelos entre sí cuando las indicaciones de ambos sensores láser son las mismas. La Figura 4 muestra la versión prototipo durante las mediciones en la mina.

El prototipo se instaló en una cinta transportadora de la mina durante las mediciones.

Otro componente del sistema prototipo es la aplicación que recibe datos de medición sin procesar. Luego de procesar los datos, la aplicación genera un informe sobre el estado técnico de la cinta, que incluye gráficos que especifican el perfil longitudinal y transversal en un lugar seleccionado por el usuario, una imagen tridimensional de la cinta, así como parámetros característicos para el perfil seleccionado: espesor medio de la banda, espesor máximo y mínimo. Los resultados de la medición forman una cuadrícula de datos, pero debido a la escasa colocación de sensores a lo largo del cabezal de medición, al generar una imagen tridimensional y un mapa de contorno, la cuadrícula se densificó interpolando los valores entre el método cúbico ("Cubic Hermite spline "), según el cual, el valor en el punto de consulta se basa en la interpolación cúbica de valores en puntos de cuadrícula adyacentes en cada dimensión apropiada. Una mayor densidad de sensores permite una cuadrícula de medición más densa y, por lo tanto, una mejor representación de la superficie del objeto sin la necesidad de utilizar interpolación cúbica entre sus nodos. Entonces basta con utilizar únicamente la interpolación lineal para calcular los valores entre los nodos de la cuadrícula de medición.

Las pruebas realizadas en un objeto real en condiciones mineras permitieron probar el dispositivo prototipo, su modo de funcionamiento y el software en condiciones difíciles: con mucha humedad y polvo. Para evaluar el grosor de la cinta es necesario instalar el dispositivo en la sección plana del recorrido del cinturón y dar algunas vueltas completas a la presilla del cinturón para minimizar posibles errores de medición. Los datos de medición se guardan en un archivo después de decodificar el valor de voltaje leído en la salida del sensor a una distancia de acuerdo con la fórmula especificada por el fabricante30, definida por la fórmula (1).

donde \(d\)—distancia del sensor desde el obstáculo (mm), \(U\)—voltaje en el sensor [V].

El análisis de los datos de medición permite generar una sección transversal o longitudinal de la correa, así como trazar sus parámetros característicos. Durante las pruebas del prototipo se probó una cinta transportadora de 10 años de antigüedad con un espesor nominal de 18 mm. El cinturón se utiliza en una de las minas subterráneas de Polonia y consta de 13 secciones. La Figura 5 muestra la sección transversal del cinturón en dos puntos seleccionados al azar a lo largo del cinturón. En rojo está marcado el valor correspondiente al espesor nominal de la correa. Debido al hecho de que había 7 pares de sensores distribuidos a lo largo del cabezal de medición, pero solo 5 estaban en el ancho de la cinta (un par de sensores estaba completamente fuera del rango (U1) y el otro estaba en el borde de la cinta (U7)), las indicaciones del primer y último par de sensores se excluyeron de un análisis posterior.

La sección transversal de la cinta transportadora: prueba del prototipo del dispositivo.

La Tabla 1 presenta los parámetros más importantes para las secciones transversales que se muestran en la Fig. 5.

La pérdida de superficie (sección transversal o longitudinal) se determinó mediante el método de integración numérica: el método trapezoidal. Se pueden determinar gráficos y parámetros análogos para el perfil longitudinal general del par de sensores seleccionado. La Figura 6 muestra las secciones longitudinales de tres pares de sensores y la Tabla 2 resume los parámetros que describen cada una de estas secciones.

Sección longitudinal general a través de una cinta transportadora: prueba de prototipo de dispositivo.

La visualización de todas las medidas en un gráfico tridimensional le permite ver una imagen tridimensional de la cinta y calcular parámetros importantes. La figura 7 muestra una imagen tridimensional de la cinta transportadora probada en toda su longitud y una aproximación en una distancia de 1000 muestras. La cuadrícula de medidas en la visualización de la imagen tridimensional no ha sido modificada y contiene únicamente nodos con valores obtenidos en las medidas. En el caso del mapa de contorno, se cambió el tamaño de la cuadrícula incrementándola 10 veces a lo largo del ancho del cinturón y reduciéndola a 200 puntos a lo largo, los valores se interpolaron usando el método cúbico. El mapa de contorno se muestra en la Fig. 8.

La imagen tridimensional de la cinta: prueba del prototipo del dispositivo.

Mapa de contorno del cinturón: prueba del prototipo del dispositivo.

Los parámetros de la sección transversal en la ubicación seleccionada por el usuario para una sola medición no admiten la evaluación del estado técnico, pero el gráfico que muestra el valor promedio y el valor mínimo, así como el porcentaje de pérdida de superficie a lo largo de la cinta. , facilita la evaluación del estado técnico de la correa. Estos gráficos se determinaron para el objeto probado y la Fig. 9 y la Tabla 3 muestran su apariencia.

Parámetros de la sección transversal a lo largo de la correa: prueba del prototipo del dispositivo.

En comparación con la versión prototipo, la versión industrial incluye varias modificaciones. Se han cambiado los sensores ultrasónicos. También se ha agregado un codificador incremental para controlar la velocidad de la cinta y distribuir uniformemente la rejilla de medición a lo largo de la cinta. Se ha mejorado el método de fijación de cabezales medidores a soportes externos para que la instalación del dispositivo sea cómoda y rápida. El método de hardware utilizado en la versión de laboratorio del dispositivo para apoyar el mantenimiento del paralelismo mediante la instalación de dos sensores láser adicionales se reemplazó por una solución de software: antes de comenzar las mediciones, todos los sensores se calibran automáticamente. Los cabezales de medición se distribuyen a una distancia determinada mediante placas modelo colocadas perpendicularmente a ambos lados de los cabezales. La distancia leída por todos los sensores utilizados debe ser la misma que el ancho del bloque patrón utilizado. Sin embargo, si la lectura de cualquier par de sensores es diferente del valor esperado, el par de estos sensores se recalibra automáticamente.

Los sensores ultrasónicos utilizados en la versión industrial permiten su correcto funcionamiento en el rango de 20 a 250 mm, y los resultados se guardan con una resolución de 0,1 mm. Los sensores pueden funcionar en un amplio rango de temperatura, desde − 25 hasta + 70 °C. Los sensores tienen la clase de protección de ingreso IP67, gracias a la cual son completamente resistentes al polvo y a la inmersión breve en agua hasta una profundidad de 1 m30.

Para localizar los valores leídos a lo largo de la cinta transportadora se utilizó un codificador incremental cuyos parámetros de funcionamiento, combinados con los parámetros de funcionamiento de los sensores utilizados, permiten que todo el sistema opere a una frecuencia de 100 Hz30,31. Esta frecuencia de funcionamiento permite obtener una medida con resolución longitudinal cada 1 cm para una cinta que circula a una velocidad de 1 m/s y cada 7 cm a 7 m/s.

La Figura 10 muestra el diseño de la versión industrial del dispositivo y la Fig. 11 muestra el montaje de este dispositivo en un laboratorio.

Esquema de la versión industrial del dispositivo.

Medidas en el transportador de prueba.

La versión industrial del dispositivo para medir el espesor de una cinta transportadora en movimiento se alimenta con una tensión alterna estándar de 230 VCA, pero en caso de un corte temporal de energía o en ausencia de electricidad, puede funcionar hasta 3 h. gracias a la batería interna.

La versión industrial del dispositivo, al igual que la versión de laboratorio, incluye una aplicación que procesa los datos originales. La versión de la aplicación industrial también se ha enriquecido con respecto a la aplicación prototipo. Los datos recibidos de los sensores se presentan al usuario en tiempo real, aunque también es posible visualizar los resultados tras realizar las mediciones. El programa, como en el caso del prototipo, muestra una serie de gráficos (perfil longitudinal y transversal en un lugar seleccionado por el usuario, imagen en 3D) y diversas estadísticas.

El diagnóstico no invasivo de las cintas transportadoras es una cuestión importante para mantener la continuidad del transporte en la industria minera. El costo de reemplazo de la correa es uno de los principales costos de transporte en una mina32. Por lo tanto, es muy importante controlar el estado técnico de las cintas transportadoras y reaccionar más rápidamente ante las irregularidades y prevenirlas. Es importante que, gracias a la identificación y previsión del ritmo del proceso de desgaste de la correa en condiciones específicas, se pueda pronosticar el momento de alcanzar el límite de abrasión y planificar con antelación el tiempo de inactividad en la minería y decidir realizar reemplazos preventivos de la correa en función de su condición técnica. En el marco del proyecto se construyó el primer dispositivo móvil en Polonia para la medición continua del espesor de la correa y de los perfiles transversales y longitudinales. Gracias a los datos obtenidos al probar la cinta transportadora, es posible no sólo determinar el espesor o los perfiles, sino también detectar algunos daños (por ejemplo, abrasiones locales y cubiertas rotas).

La ventaja del dispositivo diseñado es la capacidad de determinar el espesor de la cinta transportadora independientemente de su tipo. El sistema BeltSonic puede probar tanto correas con núcleo de acero como correas con núcleo textil, y la única limitación en el funcionamiento del sistema es la necesidad de instalarlo en la sección plana del recorrido de la correa.

La idea de la medición diferencial propuesta y el montaje de los cabezales de medición según su propio diseño permite que el sistema funcione independientemente de una serie de factores que son parte integral del funcionamiento de la cinta transportadora, es decir, vibraciones, golpes de la cinta o posibles deformaciones en la estructura de soporte del transportador.

La implementación y prueba de la versión de laboratorio permitió su modificación y, como resultado, la construcción de una nueva versión industrial del dispositivo con una estructura mejorada. Se rediseñó el método de fijación de los cabezales a la estructura del transportador y se utilizó una estructura independiente, lo que permitió independizar el funcionamiento del sistema tanto de las vibraciones como de la estructura de soporte del transportador sobre el cual se instalará el sistema.

La realización de pruebas con el uso de un sistema prototipo y luego el análisis del circuito de medición permite determinar los lugares más expuestos a posibles daños y, por lo tanto, permite un diagnóstico más rápido y la eliminación de cualquier irregularidad. Mucho sobre el estado técnico de la cinta transportadora se puede ver en la imagen de la sección misma (Fig. 5), porque en base a ella es posible juzgar en qué punto de la sección la tasa de abrasión de la cinta es la más alto.

El análisis de la sección longitudinal a través de la cinta permite evaluar su perfil en todo el bucle, pero debido a la cantidad de datos de medición repartidos a lo largo de la cinta, la imagen puede resultar ilegible. La sección longitudinal presentada en la Fig. 6 es una función que cambia rápidamente y la cantidad de datos de medición no permite determinar visualmente el lugar donde el espesor es menor o mayor, pero permite evaluar el carácter general. La determinación de la media de muchas mediciones permite evaluar los cambios en el espesor promedio a lo largo del eje, y el análisis de las desviaciones individuales permite la identificación local de daños (desgarros de la cubierta, perforaciones o abrasiones) en el sitio de medición. Gracias al uso de un codificador, es posible localizar estas fallas en el bucle.

El resto de parámetros listados en las Tablas 1 y 2 apoyan la evaluación del estado técnico, mostrando al usuario tanto parámetros como el valor mínimo y máximo, como el grado de desgaste de la cinta transportadora. El análisis de los propios parámetros, así como los cambios en estos parámetros a lo largo del tiempo, permite evaluar mejor el estado técnico del objeto probado, así como tomar decisiones sobre una posible sustitución o reparación.

Debido a la gran cantidad de datos de medición a lo largo de la cinta transportadora (en la versión industrial del dispositivo hay 50 pares de sensores), el análisis individual de cada sección transversal no es una solución práctica. Por lo tanto, el usuario puede determinar los valores más importantes entre los parámetros seleccionados de la sección transversal y el sistema generará su recorrido dependiendo de la posición de la sección transversal a lo largo de la cinta transportadora. Los gráficos de la Fig. 9 muestran el valor del espesor mínimo y medio de la cinta y el porcentaje de pérdida superficial. El análisis de estos datos permitirá identificar la ubicación del lugar más desgastado, así como responder a la pregunta en qué sección se encuentra el daño potencial a la cubierta de la cinta transportadora.

La versión industrial del dispositivo ha sido modificada: los sensores ultrasónicos están colocados a una distancia de 25 mm entre sí (en la versión de laboratorio, a una distancia de 250 mm), lo que permitió obtener una imagen mucho más precisa del grosor de la cinta. en la sección transversal. La versión industrial del dispositivo ha sido modificada: los sensores ultrasónicos están colocados a una distancia de 25 mm entre sí (en la versión de laboratorio, a una distancia de 250 mm), lo que permitió obtener una imagen mucho más precisa del grosor de la cinta. en la sección transversal.. En el próximo artículo, se presentarán los resultados de las pruebas de un dispositivo industrial tanto en laboratorio como en condiciones reales, y los resultados de las nuevas pruebas se interpretarán y utilizarán para pronosticar la tasa de desgaste y el resto. vida de la correa.

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Este documento fue apoyado financieramente por la Subvención, No: 0227 / L-10/2018.

Facultad de Informática y Telecomunicaciones, Universidad de Ciencia y Tecnología de Wroclaw, Wrocław, Polonia

Agata Kirjanów-Błażej y Tomasz Kozłowski

Facultad de Geoingeniería y Geología Minera, Universidad de Ciencia y Tecnología de Wroclaw, Wrocław, Polonia

Ryszard Błażej, Leszek Jurdziak y Aleksandra Rzeszowska

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RB y TK realizaron investigaciones en la mina. LJ, AKB y AR realizaron los cálculos incluidos en el artículo. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Agata Kirjanów-Błażej.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Kirjanów-Błażej, A., Błażej, R., Jurdziak, L. et al. Innovador dispositivo de diagnóstico para la medición de espesores de cintas transportadoras en transporte horizontal. Representante científico 12, 7212 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11148-1

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Recibido: 30 de diciembre de 2021

Aceptado: 06 de abril de 2022

Publicado: 04 de mayo de 2022

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

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