Appareil de diagnostic innovant pour la mesure de l'épaisseur des bandes transporteuses en transport horizontal

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7212 (2022) Citer cet article

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Le diagnostic des bandes transporteuses utilisées dans le transport horizontal sans qu'il soit nécessaire de retirer la bande du convoyeur et de la tester dans des conditions de laboratoire est un aspect important dans les installations minières (Jurdziak et al., Adv Intell Syst Comput, 835 : 645–654, 2019). Les tests actuels, et donc l'obtention de connaissances sur l'épaisseur actuelle des revêtements de la bande transporteuse, permettent de contrôler les changements accélérés. Il évite également les arrêts d'urgence dans le fonctionnement du convoyeur et permet la planification économiquement justifiée d'une interruption de son fonctionnement. L'article présente le concept du premier appareil mobile en Pologne pour mesurer l'épaisseur des bandes transporteuses en mouvement, mis en œuvre dans le cadre du projet NCBR (n° 0227 / L-10/2018 [programme LIDER, Transport Przemysłowy i Maszyny Robocze, 1(47)/2020, pp. 60–61]), et présente également les résultats de mesure obtenus grâce à la version laboratoire de l'appareil.

La durée de vie de la bande transporteuse dépend de nombreux facteurs présentés dans la littérature3, notamment le type de matériau transporté, la spécificité du point de transport ainsi que la longueur et l'état de la bande transporteuse. La figure 1 montre un schéma de construction d'un convoyeur à bande utilisé dans l'exploitation minière4.

Schéma du tapis roulant.

La partie la plus chère et la plus urgente du convoyeur est la bande. On estime que son coût représente environ 60 % du coût de l'ensemble du convoyeur5. Pendant son fonctionnement, il est exposé à des phénomènes défavorables qui réduisent considérablement sa durabilité : abrasion, étirement, déchirure, coupure, fissuration, délaminage et conditions de travail inégales dues aux conditions de fonctionnement variables (température, atmosphère, charge, rayons UV, force de tension de la courroie, frottement). Les exigences des fabricants de bandes transporteuses définissent la bande comme un produit de haute qualité, ce qui se traduit à son tour par son coût. Le plus important est son diagnostic et la détection rapide d'éventuelles irrégularités lorsqu'il est encore possible de les supprimer. Une défaillance potentielle d'un convoyeur à bande génère des coûts liés non seulement à sa réparation, mais également liés à l'arrêt forcé du transport et aux pertes de production5,6.

La spécificité du CND (contrôle non destructif) suppose que lors de l'examen de l'objet (ici le tapis roulant) celui-ci ne se dégrade pas, et que sa structure et ses propriétés ne changent pas. Les méthodes basées sur les END attirent de plus en plus l'attention dans le diagnostic de l'état technique des convoyeurs à bande7. Auparavant, les recherches se concentraient uniquement sur les composants individuels du convoyeur : courroies8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, entraînements18, roues folles19 ou boîtes de vitesses20,21.

De nombreux chercheurs à travers le monde ont développé de nombreux systèmes pour le diagnostic des bandes transporteuses5. Certaines des méthodes disponibles sont utilisées pour diagnostiquer l'état des couvercles, d'autres pour détecter les dommages au noyau d'acier à l'intérieur du caoutchouc22,23. A l'ère de l'Industrie 4.0, installer un capteur sur l'objet testé, puis collecter des données puis les traiter, conduit à l'amélioration du processus de recherche et à la maîtrise de la continuité du point de travail et des différents types de menaces1.

L'objectif du projet mis en œuvre à l'Université des sciences et technologies de Wroclaw est de développer un nouvel appareil de mesure d'épaisseur et d'évaluation des modifications du profil transversal et longitudinal des bandes transporteuses, ainsi que de créer sa version industrielle.

La partie la plus importante de l'appareil conçu est le capteur de distance à ultrasons. Le capteur est constitué de deux éléments piézoélectriques, l'un en mode émetteur et l'autre en mode récepteur. L'émetteur émet une onde ultrasonore, c'est-à-dire une onde dont la fréquence est supérieure à la limite supérieure d'audibilité pour l'oreille humaine (supérieure à 20 kHz), qui se propage dans l'espace et se réfléchit sur l'obstacle. L'écho est capté par le récepteur et le temps entre l'émission de l'onde et sa réception, mesuré à l'intérieur du capteur, détermine clairement la distance entre le capteur et l'obstacle. L'onde ultrasonore émise se propage dans l'air à une vitesse constante et connue, en fonction des paramètres du milieu, principalement la température, mais aussi l'humidité. L'onde sonore est une onde mécanique, elle se propage donc comme une perturbation du milieu. La température est définie comme l'énergie cinétique moyenne d'une molécule, donc un changement de température modifie la vitesse des molécules et donc la vitesse de propagation des ondes. Afin de compenser la vitesse variable de l'onde ultrasonore en fonction de la température, les capteurs à ultrasons disposent d'une fonctionnalité intégrée de compensation de température24.

Les capteurs à ultrasons industriels disponibles sur le marché utilisent des fréquences de 25 à 500 kHz, et la fréquence de fonctionnement du capteur est inversement proportionnelle à la plage de distance25 - les ondes avec des fréquences plus basses sont utilisées pour détecter des objets à de plus grandes distances, et des ondes avec des fréquences plus élevées sont utilisées pour détecter des objets plus proches.

L'idée de la mesure de l'épaisseur est basée sur une mesure différentielle - un capteur à ultrasons est placé à la fois au-dessus et au-dessous de l'objet testé. L'idée de la mesure est présentée à la Fig. 2. Le capteur placé au-dessus de l'objet testé détermine la distance décrite par le symbole \(X_{1}\), et le capteur placé sous l'objet —\(X_{2}\). Connaître la distance entre les capteurs au-dessus et au-dessous de l'objet (ici marqué de la lettre \(A\)) détermine clairement l'épaisseur de l'objet à un endroit donné6,26,27.

L'idée de mesure différentielle28.

Pour assurer le fonctionnement du système, des capteurs à ultrasons sont placés sur deux têtes de mesure, entre lesquelles se déplace la bande transporteuse. Les capteurs sont placés à égale distance les uns des autres, sur une longueur de 2,5 m, avec 50 capteurs sur chacune des têtes de mesure. Les têtes sont fixées à des trépieds externes, dont la position peut être ajustée en modifiant l'espacement des pieds du trépied. Cette méthode de montage des têtes de mesure permet de rendre les résultats de mesure indépendants des vibrations, des impacts de bande qui peuvent survenir lors des essais, ainsi que des déformations de la structure du convoyeur survenant dans le temps, qui peuvent gêner ou empêcher un montage efficace de l'appareil. L'installation du système conçu sur sa propre structure permet d'installer le système dans n'importe quelle section plate de la bande, et rend ainsi son fonctionnement indépendant de la structure de support du convoyeur29. Un schéma du système conçu avec des dimensions est illustré à la Fig. 3.

Schéma de l'appareil conçu.

Afin de vérifier si l'idée proposée de mesurer l'épaisseur de la bande transporteuse à l'aide de capteurs à ultrasons répondra aux défis auxquels elle est confrontée, une version de laboratoire de l'appareil a été réalisée (brevet polonais, n° 228973. Dispositif de mesure de l'épaisseur et d'évaluation des modifications du profil transversal et longitudinal de la bande transporteuse). L'objectif de la construction d'une version prototype était de tester la méthode de mesure et de sélectionner les composants du dispositif industriel29. Le prototype a été testé à la fois en conditions de laboratoire, au Belt Transport Laboratory de l'Université des sciences et technologies de Wroclaw, et en conditions réelles, dans la mine. Les têtes de mesure du système prototype comprennent 7 paires de capteurs à ultrasons disposés sur deux têtes de mesure à une distance de 250 mm l'une de l'autre, sur une portée de 1,5 m. Le dispositif prototype utilise en outre deux capteurs de distance laser au début et à la fin de la tête de mesure supérieure. La tâche des télémètres laser utilisés était d'aider à maintenir le parallélisme des têtes de mesure - les têtes sont situées parallèlement l'une à l'autre lorsque les indications des deux capteurs laser sont les mêmes. La figure 4 montre la version prototype lors des mesures dans la mine.

Le prototype installé sur un tapis roulant dans la mine lors des mesures.

Un autre composant du système prototype est l'application qui reçoit les données de mesure brutes. Après traitement des données, l'application génère un rapport sur l'état technique de la bande, qui comprend des graphiques spécifiant le profil longitudinal et transversal à un endroit sélectionné par l'utilisateur, une image tridimensionnelle de la bande, ainsi que des paramètres caractéristiques pour le profil sélectionné - épaisseur moyenne de la bande, épaisseur maximale et minimale. Les résultats de mesure forment une grille de données, mais en raison du peu de placement de capteurs le long de la tête de mesure, lors de la génération d'une image tridimensionnelle et d'une carte de contour, la grille a été densifiée en interpolant les valeurs entre la méthode cubique ("Cubic Hermite spline"), selon laquelle, la valeur au point de requête est basée sur l'interpolation cubique des valeurs aux points de grille adjacents dans chaque dimension appropriée. Une densité plus élevée de capteurs permet une grille de mesure plus dense, et donc une meilleure représentation de la surface de l'objet sans avoir besoin d'utiliser une interpolation cubique entre ses nœuds. Il suffit alors de n'utiliser que l'interpolation linéaire pour calculer les valeurs entre les nœuds de la grille de mesure.

Les tests effectués sur un objet réel dans des conditions minières ont permis de tester le dispositif prototype, son mode de fonctionnement et son logiciel dans des conditions difficiles - en humidité et poussière accrues. L'évaluation de l'épaisseur de la bande nécessite l'installation de l'appareil dans la section plate du parcours de la ceinture et de faire quelques tours complets de la boucle de la ceinture pour minimiser les éventuelles erreurs de mesure. Les données de mesure sont enregistrées dans un fichier après décodage de la valeur de tension lue à partir de la sortie du capteur à distance selon la formule spécifiée par le fabricant30, définie par la formule (1).

où \(d\)—distance du capteur à l'obstacle (mm), \(U\)—tension sur le capteur [V].

L'analyse des données de mesure permet de générer une coupe transversale ou longitudinale de la bande, ainsi que de tracer ses paramètres caractéristiques. Lors des tests du prototype, une bande transporteuse de 10 ans d'une épaisseur nominale de 18 mm a été testée. La ceinture est utilisée dans l'une des mines souterraines de Pologne et se compose de 13 sections. La figure 5 montre la coupe transversale de la courroie en deux points choisis au hasard sur la longueur de la courroie. La valeur correspondant à l'épaisseur nominale de la bande est marquée en rouge. En raison du fait que 7 paires de capteurs étaient réparties le long de la tête de mesure, mais seulement 5 étaient sur la largeur de la ceinture (une paire de capteurs était complètement en dehors de la plage (U1) et l'autre était sur le bord de la ceinture (U7)), les indications de la première et de la dernière paire de capteurs ont été exclues de l'analyse ultérieure.

La section transversale de la bande transporteuse - test du prototype de l'appareil.

Le tableau 1 présente les paramètres les plus importants pour les sections transversales illustrées à la Fig. 5.

La perte de surface (coupe transversale ou longitudinale) a été déterminée par la méthode d'intégration numérique, c'est-à-dire la méthode trapézoïdale. Des graphiques et des paramètres analogues peuvent être déterminés pour le profil longitudinal global de la paire de capteurs sélectionnée. La figure 6 montre les coupes longitudinales pour trois paires de capteurs, et le tableau 2 résume les paramètres décrivant chacune de ces coupes.

Coupe longitudinale globale à travers une bande transporteuse - essai d'un prototype de dispositif.

La visualisation de toutes les mesures sur un graphique en trois dimensions vous permet de visualiser une image en trois dimensions de la bande et de calculer les paramètres importants. La figure 7 montre une image tridimensionnelle de la bande transporteuse testée sur toute sa longueur et une approximation sur une distance de 1000 échantillons. La grille de mesure dans la visualisation de l'image tridimensionnelle n'a pas été modifiée et ne contient que des nœuds avec des valeurs obtenues dans les mesures. Dans le cas de la carte de contour, la taille de la grille a été modifiée en l'augmentant 10 fois sur la largeur de la ceinture et en la réduisant à 200 points sur la longueur, les valeurs ont été interpolées en utilisant la méthode cubique. La carte de contour est illustrée à la Fig. 8.

L'image tridimensionnelle de la bande - essai du prototype de l'appareil.

Carte de contour de la ceinture - test du prototype de l'appareil.

Les paramètres de la section à l'emplacement sélectionné par l'utilisateur pour une seule mesure ne permettent pas d'évaluer l'état technique, mais le graphique indiquant la valeur moyenne et la valeur minimale, ainsi que le pourcentage de perte de surface le long de la bande, facilite l'évaluation de l'état technique de la bande. Ces diagrammes ont été déterminés pour l'objet testé, et la figure 9 et le tableau 3 montrent leur apparence.

Paramètres de la section transversale sur la longueur de la courroie - essai du prototype de l'appareil.

Par rapport à la version prototype, la version industrielle comprend plusieurs modifications. Les capteurs à ultrasons ont été changés. Un encodeur incrémental a également été ajouté pour contrôler la vitesse de la bande et répartir uniformément la grille de mesure le long du ruban. La méthode de fixation des têtes de mesure aux supports externes a été améliorée afin que l'installation de l'appareil soit pratique et rapide. La méthode matérielle utilisée dans la version laboratoire de l'appareil pour prendre en charge le maintien du parallélisme en installant deux capteurs laser supplémentaires a été remplacée par une solution logicielle - avant de commencer les mesures, tous les capteurs sont automatiquement calibrés. Les têtes de mesure sont réparties sur une distance donnée à l'aide de plaques modèles placées perpendiculairement de part et d'autre des têtes. La distance lue par tous les capteurs utilisés doit être la même que la largeur de la cale étalon utilisée. Cependant, si la lecture d'une paire de capteurs est différente de la valeur attendue, la paire de ces capteurs est automatiquement recalibrée.

Les capteurs à ultrasons utilisés dans la version industrielle permettent leur bon fonctionnement dans la plage de 20 à 250 mm, et les résultats sont enregistrés avec une résolution de 0,1 mm. Les capteurs peuvent fonctionner dans une large plage de températures, de − 25 à + 70 °C. Les capteurs ont la classe de protection IP67, grâce à laquelle ils sont totalement résistants à la poussière et à l'immersion de courte durée dans l'eau jusqu'à une profondeur de 1 m30.

Pour localiser les valeurs lues le long du tapis roulant, un codeur incrémental a été utilisé dont les paramètres de fonctionnement, combinés aux paramètres de fonctionnement des capteurs utilisés, permettent à l'ensemble du système de fonctionner à une fréquence de 100 Hz30,31. Cette fréquence de fonctionnement permet d'obtenir une mesure avec une résolution longitudinale tous les 1 cm pour une bande défilant à une vitesse de 1 m/s et tous les 7 cm à 7 m/s.

La figure 10 montre la conception de la version industrielle du dispositif, et la figure 11 montre l'assemblage de ce dispositif dans un environnement de laboratoire.

Schéma de la version industrielle de l'appareil.

Mesures sur le convoyeur d'essai.

La version industrielle de l'appareil de mesure de l'épaisseur de la bande transporteuse en mouvement est alimentée par une tension alternative standard de 230 VAC, mais en cas de coupure de courant momentanée ou en l'absence d'électricité, elle peut fonctionner jusqu'à 3 h grâce à la batterie interne.

La version industrielle de l'appareil, comme la version laboratoire, intègre une application qui traite les données sources. La version de l'application industrielle a également été enrichie par rapport à l'application prototype. Les données reçues des capteurs sont présentées à l'utilisateur en temps réel, bien qu'il soit également possible de visualiser les résultats après avoir effectué les mesures. Le programme, comme dans le cas du prototype, affiche un certain nombre de graphiques (profil longitudinal et transversal à un endroit choisi par l'utilisateur, image 3D) et diverses statistiques.

Le diagnostic non invasif des bandes transporteuses est un enjeu important pour maintenir la continuité du transport dans l'industrie minière. Le coût de remplacement de la courroie est l'un des principaux coûts de transport dans une mine32. Par conséquent, il est très important de contrôler l'état technique des bandes transporteuses et de réagir plus rapidement aux irrégularités et de les prévenir. Il est important, grâce à l'identification et à la prévision du taux d'usure de la bande dans des conditions spécifiques, de prévoir le moment d'atteindre la limite d'abrasion et de planifier à l'avance les temps d'arrêt dans l'exploitation minière et de décider d'effectuer des remplacements préventifs de la bande en fonction de leur état technique. Dans le cadre du projet, le premier appareil mobile en Pologne pour la mesure continue de l'épaisseur de la bande, des profils transversaux et longitudinaux a été construit. Grâce aux données obtenues lors des tests de la bande transporteuse, il est possible non seulement de déterminer l'épaisseur ou les profils, mais également de détecter certains dommages (par exemple, abrasions locales et revêtements déchirés).

L'avantage du dispositif conçu est la possibilité de déterminer l'épaisseur de la bande transporteuse quel que soit son type. Le système BeltSonic peut tester à la fois les courroies avec un noyau en acier et les courroies avec un noyau textile, et la seule limitation dans le fonctionnement du système est la nécessité de l'installer dans la section plate du parcours de la courroie.

L'idée de la mesure différentielle proposée et de l'assemblage des têtes de mesure sur leur propre conception permet au système de fonctionner indépendamment d'un certain nombre de facteurs qui font partie intégrante du fonctionnement du convoyeur à bande, c'est-à-dire des vibrations, des coups de bande ou des déformations possibles dans la structure de support du convoyeur.

La mise en œuvre et les tests de la version laboratoire ont permis sa modification et, par conséquent, la construction d'une nouvelle version industrielle de l'appareil avec une structure améliorée. La méthode de fixation des têtes à la structure du convoyeur a été repensée et une structure indépendante a été utilisée, ce qui a permis de rendre le fonctionnement du système indépendant des vibrations et de la structure de support du convoyeur sur lequel le système sera installé.

La réalisation de tests avec l'utilisation d'un système prototype puis l'analyse de la boucle de mesure permet de déterminer les endroits les plus exposés aux dommages potentiels, et permet ainsi un diagnostic plus rapide et la suppression d'éventuelles irrégularités. Une grande partie de l'état technique de la bande transporteuse peut être vue à partir de l'image de la section elle-même (Fig. 5), car sur sa base, il est possible de juger à quel point de la section le taux d'abrasion de la bande est le plus élevé.

L'analyse de la section longitudinale du ruban permet d'évaluer son profil sur toute la boucle, mais du fait de la quantité de données de mesure réparties sur la longueur du ruban, l'image peut s'avérer illisible. La section longitudinale présentée à la Fig. 6 est une fonction à évolution rapide, et la quantité de données de mesure ne permet pas de déterminer visuellement l'endroit où l'épaisseur est la plus petite ou la plus grande, mais elle permet d'évaluer le caractère global. La détermination de la moyenne de nombreuses mesures permet d'évaluer les changements d'épaisseur moyenne le long de l'axe, et l'analyse des écarts individuels permet l'identification locale des dommages (déchirures de couverture, perforations ou abrasions) au site de mesure. Grâce à l'utilisation d'un codeur, il est possible de localiser ces défauts dans la boucle.

Les paramètres restants répertoriés dans les tableaux 1 et 2 appuient l'évaluation de l'état technique, montrant à l'utilisateur les deux paramètres tels que la valeur minimale et maximale, et le degré d'usure de la bande transporteuse. L'analyse des paramètres eux-mêmes, ainsi que l'évolution de ces paramètres dans le temps, permet de mieux évaluer l'état technique de l'objet testé, ainsi que de prendre des décisions quant à un éventuel remplacement ou réparation.

En raison de la grande quantité de données de mesure sur la longueur de la bande transporteuse (dans la version industrielle de l'appareil, il y a 50 paires de capteurs), l'analyse individuelle de chaque section n'est pas une solution pratique. Par conséquent, l'utilisateur peut déterminer les valeurs les plus importantes parmi les paramètres sélectionnés de la section et le système générera leur parcours en fonction de la position de la section sur la longueur de la bande transporteuse. Les graphiques de la Fig. 9 montrent la valeur de l'épaisseur minimale et moyenne de la bande et le pourcentage de perte de surface. L'analyse de ces données permettra d'identifier l'emplacement de l'endroit le plus usé, ainsi que de répondre à la question dans quelle section se situe l'endommagement potentiel de la couverture de la bande transporteuse.

La version industrielle de l'appareil a été modifiée : les capteurs à ultrasons sont placés à une distance de 25 mm les uns des autres (dans la version laboratoire à une distance de 250 mm), ce qui a permis d'avoir une image beaucoup plus précise de l'épaisseur du ruban sur la section transversale. La version industrielle de l'appareil a été modifiée - les capteurs à ultrasons sont placés à une distance de 25 mm les uns des autres (dans la version laboratoire à une distance de 250 mm), ce qui a permis d'avoir une image beaucoup plus précise de l'épaisseur du ruban sur la section transversale. Dans le prochain article, les résultats des tests d'un appareil industriel en laboratoire et en conditions réelles seront présentés, et les résultats des nouveaux tests seront interprétés et utilisés pour prévoir le taux d'usure et la durée de vie restante de la bande.

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Cet article a été soutenu financièrement par Grant, No: 0227 / L-10/2018.

Faculté d'informatique et de télécommunications, Université des sciences et technologies de Wroclaw, Wrocław, Pologne

Agata Kirjanow-Błażej & Tomasz Kozlowski

Faculté de géoingénierie minière et de géologie, Université des sciences et technologies de Wroclaw, Wrocław, Pologne

Ryszard Blazej, Leszek Jurdziak & Aleksandra Rzeszowska

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RB et TK ont effectué des recherches dans la mine. LJ, AKB et AR ont effectué les calculs inclus dans l'article. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

La correspondance est Agata Kirjanów-Błażej.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Kirjanów-Błażej, A., Blazej, R., Jurdziak, L. et al. Appareil de diagnostic innovant pour la mesure de l'épaisseur des bandes transporteuses en transport horizontal. Sci Rep. 12, 7212 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11148-1

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Reçu : 30 décembre 2021

Accepté : 06 avril 2022

Publié: 04 mai 2022

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

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