原長鎖 盧明立 閔令江

(1.國家能源神東煤炭集團(tuán)，陜西省榆林市，719315；2.連云港天明裝備有限公司，江蘇省連云港市，222002)

刮板輸送機(jī)是綜采設(shè)備的中心部分，作為礦井生產(chǎn)的“動脈”，主要用于運(yùn)輸煤炭或矸石等物料，同時也作為液壓支架的支點(diǎn)和采煤機(jī)的運(yùn)行軌道，其可靠、安全、高效的運(yùn)行直接影響著煤礦的生產(chǎn)效率[1]。我國大力推動煤炭行業(yè)高產(chǎn)高效和集約化生產(chǎn)，刮板輸送機(jī)也逐步向功能完善化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化方向發(fā)展，然而其發(fā)生故障或失效的概率變的越來越大。據(jù)統(tǒng)計，刮板輸送機(jī)事故占綜采三機(jī)事故率的40%，牽引機(jī)構(gòu)發(fā)生故障的概率占到總故障的63%，主要表現(xiàn)為跳鏈、堵轉(zhuǎn)、掉鏈、斷鏈(約41.5%的停機(jī)時間是由刮板鏈斷裂造成)等故障頻發(fā)[2]。

為了有效地實現(xiàn)刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈的故障檢測，葉平等[3]研究人員提出了采用表面波電磁聲技術(shù)對圓環(huán)鏈裂紋進(jìn)行在線檢測的方案，成功研制了電磁聲探傷裝置和電磁聲傳感器;于林等[4]研究人員針對刮板輸送機(jī)斷鏈監(jiān)測問題， 提出在刮板輸送機(jī)中部槽內(nèi)部構(gòu)建專用磁場并使用霍爾元件為敏感元件的刮板檢測傳感器， 利用該傳感器可間接判斷出是否有斷單鏈故障；此外，基于軟件、硬件開發(fā)平臺設(shè)計實現(xiàn)刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈故障檢測的系統(tǒng)已被廣泛使用[5-8]。目前的研究局限于產(chǎn)品設(shè)計以及系統(tǒng)開發(fā)的理論研究，傳感器安裝困難且成本高，系統(tǒng)實現(xiàn)困難且適用性差。本文基于有限元分析軟件研究了鏈輪和圓環(huán)鏈的受力特性，對鏈輪和圓環(huán)鏈應(yīng)力集中區(qū)布置應(yīng)變傳感器，通過無線傳輸系統(tǒng)采集受力信號，并由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷故障是否發(fā)生; 基于故障信號特征，可進(jìn)一步實現(xiàn)對卡鏈和斷鏈這2種典型故障進(jìn)行診斷和區(qū)分。

1 驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈?zhǔn)芰μ匦匝芯?/h2>

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

以連云港天明機(jī)械裝備有限公司SGZ1250/3×1200 型重型刮板輸送機(jī)為研究對象，基于Creo2.0參數(shù)化模塊進(jìn)行參數(shù)化建模，通過設(shè)定參數(shù)、列出關(guān)系和編制程序，實現(xiàn)驅(qū)動鏈輪和鏈條的精確和快速建模。其中， 驅(qū)動鏈輪的主要尺寸通過鏈條公稱直徑D、鏈輪齒數(shù)N和圓環(huán)鏈公稱節(jié)距P這3個設(shè)計參數(shù)來表征；圓環(huán)鏈的主要尺寸通過公稱直徑D和鏈條中心節(jié)距T兩個設(shè)計參數(shù)來表征。驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型如圖1所示。

圖1 驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型

1.2 工況分析

刮板輸送機(jī)負(fù)載計算簡化模型如圖2所示。

圖2 刮板輸送機(jī)負(fù)載計算簡化模型

由圖2可以看出，驅(qū)動鏈輪沿逆時針方向運(yùn)行，刮板輸送機(jī)工作時連續(xù)運(yùn)輸煤或矸石，單位長度上的貨載質(zhì)量計算見式(1)：

(1)

式中：q——單位長度上的貨載質(zhì)量，kg/m；

Q——設(shè)計運(yùn)量，取4000 t/h;

v——運(yùn)行速度，取1.6 m/s。

重載運(yùn)行阻力Wzh計算見式(2)：

(2)

式中：Wzh——重載運(yùn)行阻力，N；

w——物料在溜槽中的移動阻力系數(shù)，取0.6；

q1——刮板鏈單位長度質(zhì)量，186 kg/m;

w1——刮板鏈在溜槽中的移動阻力系數(shù)，取0.3；

l——設(shè)計長度，取304.55 m；

g——重力加速度，取9.8 m/s2;

β—— 表示刮板輸送機(jī)傾角，此處取為0°。

空載運(yùn)行阻力Wk大小計算見式(3)：

Wk=q1×l2×g(w1×cosβ-sinβ)

(3)

式中：Wk——空載運(yùn)行阻力，N；

l2——設(shè)計長度，取304.55 m。

刮板輸送機(jī)負(fù)載計算簡化模型中的模型點(diǎn)1、2、3和4的張力分別表示為S1、S2、S3和S4，各點(diǎn)張力計算見式(4)：

S2=S1+Wk；

S3=1.1S2；

S4=S3+Wzh

(4)

S1為刮板輸送機(jī)下邊鏈的最小點(diǎn)張力，單鏈刮板機(jī)的最小點(diǎn)張力S1的最小值為Smin=2000～3000 N，雙鏈刮板機(jī)S1的最小值為Smin=4000～6000 N。理論上，最小點(diǎn)張力為零時最好，因此設(shè)定S1=0。驅(qū)動鏈輪的圓周牽引力計算為P=S4-S1。

1.3 受力特性研究

在Creo2.0開發(fā)環(huán)境中，建立驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈的裝配體，并保存為中間格式文件“Parosolid(*. x_t)”，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS14.0 中，對各個組成部件定義材料屬性為Solid 185，定義彈性模型為2.06E11， 泊松比為0.3，設(shè)置材料密度為7850 kg/m3。將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對鏈輪和橫鏈以及橫鏈和立鏈之間分別設(shè)置接觸約束?；谑?1)～式(4)，計算所得刮板輸送機(jī)各主要負(fù)載參數(shù)為：單位貨載質(zhì)量為693.85 kg/m，重載運(yùn)行阻力為1409052 N，空載運(yùn)行阻力為166540.1 N，S2點(diǎn)張力為166540.1 N，S3點(diǎn)張力為183194.1 N，S4點(diǎn)張力為1592247 N。在鏈條的端部鏈節(jié)分別施加水平牽引載荷F1(F1=P/2)和F2(F2=0)，通過計算得到F1的值為796123.5 N。裝配體應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖3所示。

圖3 裝配體應(yīng)力應(yīng)變云圖

通過圖3分析可以得出，圓環(huán)鏈直邊、圓環(huán)鏈直邊與彎曲段連接處產(chǎn)生的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力值分別為638.24 MPa和578.62 MPa，驅(qū)動鏈輪鏈窩位置處應(yīng)力集中最明顯，最大應(yīng)力為846 MPa；驅(qū)動鏈輪與刮板鏈在接觸處變形明顯，最大變形量為13.35 mm。因此，在以下研究中，將應(yīng)變傳感器貼于驅(qū)動鏈輪鏈窩處以及圓環(huán)鏈平直段。

2 故障檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)構(gòu)設(shè)置

圓環(huán)鏈故障檢測裝置的設(shè)計主要包括驅(qū)動鏈輪變形量檢測裝置和圓環(huán)鏈變形量檢測裝置兩個部分。

2.1.1 驅(qū)動鏈輪變形量檢測裝置

驅(qū)動鏈輪變形量檢測裝置安裝在刮板輸送機(jī)機(jī)頭主軸端部加工伸長軸，伸長軸與主動軸固定，并焊接有固定倉，固定倉體內(nèi)用于設(shè)置無線信號采集設(shè)備，可隨鏈輪組件同步旋轉(zhuǎn)，引線槽用于應(yīng)變傳感器布線。為了盡可能測得最大變形量，并考慮到安裝的可行性，將應(yīng)變傳感器布置于驅(qū)動鏈輪和輪齒根部。傳感器引線從鏈輪輪齒中部引出，并沿鏈輪軸連接到固定倉內(nèi)的無線信號采集系統(tǒng)。通過驅(qū)動鏈輪變形量檢測裝置，可獲取與不同鏈條嚙合的兩個驅(qū)動鏈輪輪齒根部受力變形量。驅(qū)動鏈輪變形量檢測裝置示意圖如圖4所示。

1-受力區(qū)；2-應(yīng)變傳感器；3-線纜；4-引線槽；5-伸長軸；6-固定倉；7-第一鏈輪；8-第二鏈輪圖4 驅(qū)動鏈輪變形量檢測裝置示意圖

2.1.2 圓環(huán)鏈變形量檢測裝置

圓環(huán)鏈變形量檢測裝置是在刮板上加工布線槽和安裝槽，布線槽以及通孔(孔1～孔5)用于線纜的布置，安裝槽用于無線采集器的安裝；在圓環(huán)鏈的平直段表面打磨加工出貼片區(qū)，用于安裝應(yīng)變傳感器。通過圓環(huán)鏈變形量檢測裝置，可檢測不同鏈條相同位置兩個圓環(huán)鏈平直段的變形量。圓環(huán)鏈變形量檢測裝置總體安裝與應(yīng)變傳感器布置方式示意圖如圖5所示。

2.2 無線采集系統(tǒng)配置

無線采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)采集模塊安裝于驅(qū)動鏈輪變形量檢測裝置的固定倉和圓環(huán)鏈變形量檢測裝置安裝槽內(nèi)，該模塊中的應(yīng)變傳感器可實時采集應(yīng)變信息，并通過無線信號采集設(shè)備(DH5908S)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，并發(fā)送至遠(yuǎn)程端的無線AP進(jìn)行無線傳輸，無線AP通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。 無線采集系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

1-刮板；2-布線槽；3-安裝槽；4-無線采集器；5-圓環(huán)鏈；6-應(yīng)變傳感器；7-貼片區(qū)圖5 圓環(huán)鏈變形量檢測裝置總體安裝與應(yīng)變傳感器布置方式示意圖

圖6 無線采集系統(tǒng)示意圖

3 圓環(huán)鏈故障檢測方法

3.1 檢測原理

刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈故障主要包括卡鏈故障和斷鏈故障兩種類型。刮板輸送機(jī)屬于雙鏈牽引機(jī)構(gòu)，卡鏈故障發(fā)生時，多為一根鏈條首先卡住，另外一根鏈條相繼卡?。粩噫湽收习l(fā)生時，通常為一根鏈條首先斷裂，另一根鏈條卡住。如果不能及時預(yù)警，卡鏈和斷鏈故障發(fā)生時，當(dāng)鏈條受力突增并超過許用值時，鏈條都會因無法承受載荷沖擊而斷裂。基于此，首先判斷刮板輸送機(jī)某根鏈條是否卡鏈，判斷與其嚙合的鏈輪輪齒以及所處鏈條圓環(huán)鏈鏈節(jié)的變形量是否突然增大；判斷與未發(fā)生斷鏈鏈條嚙合的鏈輪輪齒以及所處鏈條圓環(huán)鏈鏈節(jié)的變形量是否也呈現(xiàn)突然增大的趨勢。其次判斷刮板輸送機(jī)某根鏈條是否發(fā)生斷鏈故障，判斷與其嚙合的鏈輪輪齒以及所處鏈條的圓環(huán)鏈鏈節(jié)的變形量是否突然減?。慌袛嗯c未發(fā)生斷鏈鏈條嚙合的鏈輪輪齒以及所處鏈條圓環(huán)鏈鏈節(jié)的變形量是否先不變后增大。

3.2 實施流程

筆者提出的刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈故障檢測方法實施流程如圖7所示。

圖7 刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈故障檢測方法實施流程

由圖7可知，具體的實施流程為：首先，通過上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并設(shè)定驅(qū)動鏈輪應(yīng)變變化率閾值J1(%)和圓環(huán)鏈應(yīng)變變化率閾值J2(%)；其中，J1(%)為與不同鏈條嚙合的驅(qū)動鏈輪輪齒受力面應(yīng)變變化率，J2(%)為不同鏈條上圓環(huán)鏈節(jié)受力面應(yīng)變變化率。其次，基于驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈變形量檢測裝置，獲取應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)通過無線信號采集設(shè)備遠(yuǎn)程傳輸，經(jīng)無線AP接收并傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行信號存儲；上位機(jī)可將應(yīng)變信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、分析，并實時計算兩側(cè)驅(qū)動鏈輪輪齒貼片處以及圓環(huán)鏈平直段的實際應(yīng)變變化率W1(%)和W2(%)；上位機(jī)對驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈的應(yīng)變數(shù)據(jù)信號分別處理，并將應(yīng)變變化率W1(%)和W2(%)和所設(shè)定的閾值J1(%)和J2(%)進(jìn)行對比。

實際運(yùn)行過程中，雙鏈系統(tǒng)相同位置處驅(qū)動鏈輪輪齒受力面的應(yīng)變值的大小幾乎相同，且相同位置處圓環(huán)鏈平直段的應(yīng)變值的大小接近；因此一旦應(yīng)變變化率閾值產(chǎn)生明顯變化，即可判定刮板鏈發(fā)生故障事故。系統(tǒng)檢測出圓環(huán)鏈故障時，預(yù)警并停機(jī)處理，否則上位機(jī)不發(fā)生動作，循環(huán)執(zhí)行檢測過程。刮板鏈的故障發(fā)生可判定如下：

(1)在5 s內(nèi)如果任意時刻驅(qū)動鏈輪應(yīng)變減小且|W1|>J1，與其嚙合鏈條的圓環(huán)鏈|W2|>J2，另一個驅(qū)動鏈輪輪齒受力面變化率|W1|<10 % 或應(yīng)變增大，可判定與應(yīng)變在5 s內(nèi)突然減小J1(%)以上的驅(qū)動鏈輪輪齒嚙合的刮板鏈發(fā)生了斷鏈故障；

(2)在5 s內(nèi)如果任意時刻驅(qū)動鏈輪應(yīng)變增大且|W1|>J1，與其嚙合鏈條的圓環(huán)鏈|W2|>J2，在短暫的延時后，另一個驅(qū)動鏈輪輪齒和對應(yīng)圓環(huán)鏈表現(xiàn)出相同的變化趨勢，可判定刮板輸送機(jī)發(fā)生卡鏈故障。

4 結(jié)語

設(shè)計了驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈變形量檢測裝置，并配置了無線信號采集系統(tǒng)以獲取驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈?zhǔn)芰γ鎽?yīng)變信號。以應(yīng)變信號為基礎(chǔ)，提出一種刮板輸送機(jī)圓環(huán)鏈故障檢測方法，該檢測方法可以準(zhǔn)確地識別圓環(huán)鏈故障、區(qū)分故障類型，并確定哪根鏈發(fā)生故障?？梢栽阪湕l全部斷裂前發(fā)出報警信號，避免了刮板輸送機(jī)鏈條全部斷裂引起的設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞和經(jīng)濟(jì)損失，并為最終實現(xiàn)刮板輸送機(jī)全面監(jiān)測和診斷，建立井下智能維護(hù)體系提供有效依據(jù)。