趙利鋒

(山西焦煤汾西礦業(yè) 兩渡煤業(yè)公司，山西 靈石 031302)

刮板輸送機(jī)一般布置在煤礦井下的采煤工作面、綜掘工作面等位置[1-2]，若刮板輸送機(jī)出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停滯[3]。在生產(chǎn)過程中，刮板鏈斷鏈、掉鏈?zhǔn)亲顬槌Ｒ姷墓收项愋汀．?dāng)刮板鏈斷鏈時(shí)，在下鏈的牽引力作用下，斷鏈會(huì)在槽底或機(jī)頭等位置堆積，增加刮板鏈鏈輪載荷[4]，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，會(huì)造成斷鏈位置處間距增加、鏈條堆積，需要耗費(fèi)大量的人力、時(shí)間完成接鏈、拖鏈工作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)給刮板輸送機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p壞，縮短設(shè)備使用壽命。

1 刮板輸送機(jī)斷鏈原因分析

1.1 斷裂類型

1) 強(qiáng)力斷鏈。強(qiáng)力斷鏈經(jīng)常出現(xiàn)在鏈環(huán)彎曲部分、焊縫影響區(qū)以及焊接對口位置，當(dāng)刮板鏈?zhǔn)艿降臎_擊力大于刮板鏈自身破斷載荷時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)力斷鏈故障，斷口呈現(xiàn)脆性斷裂形式。

2) 疲勞斷裂。雖然刮板鏈?zhǔn)艿降淖饔昧π∮谄淦茢噍d荷，但刮板鏈長時(shí)間受到脈沖載荷作用，會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。斷口多發(fā)生在直線部分連接位置以及鏈環(huán)彎曲位置。

3) 混合斷裂。刮板鏈在沖擊力以及脈沖載荷長時(shí)間、共同作用下出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，在斷口位置有明顯的塑形變形區(qū)且斷裂口位置凹凸不平。具體刮板鏈斷裂發(fā)生位置見圖1。

圖1 刮板鏈破斷位置示意

1.2 斷裂原因

煤、矸石等物料通過機(jī)頭齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刮板鏈、刮板、從動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)槽體內(nèi)物料運(yùn)輸。在井下使用過程中刮板鏈斷鏈主要原因有：

1) 刮板輸送機(jī)鋪設(shè)彎度過大。刮板輸送機(jī)鋪設(shè)位置有一定彎度時(shí)，具體刮板鏈分布形式見圖2。從圖中看出，在彎曲弧度影響下，刮板鏈外側(cè)較內(nèi)側(cè)長，刮板鏈?zhǔn)艿捷d荷集中在外側(cè)刮板鏈上，從而容易導(dǎo)致外側(cè)刮板鏈斷鏈。

圖2 刮板輸送機(jī)彎曲鋪設(shè)刮板鏈分布形式

2) 鏈環(huán)缺少連接螺栓。當(dāng)連接螺栓松動(dòng)、丟失時(shí)，鏈環(huán)受力狀態(tài)由弧形靜不定量轉(zhuǎn)變成一側(cè)受力的懸臂梁，具體圓環(huán)受力情況見圖3。連接環(huán)需要承受拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力疊加作用，在鏈環(huán)上危險(xiǎn)截面上受力可通過下式計(jì)算。

圖3 圓環(huán)受力示意

式中：Q為鏈環(huán)受到的拉應(yīng)力，kN；F為鏈環(huán)危險(xiǎn)截面(I位置)斷面積，cm2；M為鏈環(huán)危險(xiǎn)截面受到的彎矩，N·m；W為連接環(huán)在危險(xiǎn)截面(I位置)斷面系數(shù)，cm3。

以SWG-40T刮板輸送機(jī)為例，該刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)功率為40 kW、轉(zhuǎn)速為1 470 r/min、傳動(dòng)系數(shù)為0.85。當(dāng)鏈環(huán)缺少螺栓連接時(shí)，采用上述公式對鏈環(huán)受力進(jìn)行分析，其中：Q=44.4 kN、M=666 N·m、W=63.673 cm3、F=2.838 cm2。經(jīng)計(jì)算求得? =16 691 N/cm2，鏈環(huán)破斷載荷為8 000 N/cm2，因此當(dāng)無連接螺栓時(shí)鏈環(huán)更容易斷裂。

3) 刮板鏈跳鏈。跳鏈?zhǔn)侵腹伟彐湱h(huán)從刮板輸送機(jī)機(jī)頭鏈輪上脫落。跳鏈故障發(fā)生后刮板鏈環(huán)會(huì)在鏈輪齒、機(jī)頭軸上產(chǎn)生額外的沖擊力，容易引起刮板鏈斷裂。常見的跳鏈故障處理方式是在機(jī)頭輪齒處增加墊板。

4) 鏈環(huán)銹蝕。在煤礦井下含有強(qiáng)腐蝕性氣體以及液體，刮板輸送機(jī)刮板鏈本身防護(hù)性較差，當(dāng)與腐蝕性物質(zhì)接觸時(shí)會(huì)造成鏈環(huán)銹蝕、脫皮問題，不僅減小鏈環(huán)強(qiáng)度，而且增加斷鏈概率。

5) 動(dòng)載荷。刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行過程中刮板鏈?zhǔn)艿降淖饔昧Τ手芷谛宰兓?，機(jī)頭位置受到大塊矸石、煤炭沖擊作用明顯，從而導(dǎo)致刮板鏈長期受到動(dòng)載荷以及疲勞應(yīng)力影響。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，動(dòng)載荷具有突發(fā)性特點(diǎn)，會(huì)給刮板鏈較大的沖擊，從而引發(fā)刮板鏈斷裂；在疲勞應(yīng)力作用下刮板鏈會(huì)出現(xiàn)較大變形，也會(huì)導(dǎo)致刮板鏈斷裂。

6) 強(qiáng)沖擊力。在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中，刮板鏈對口焊接位置、鏈環(huán)彎曲位置以及焊縫熱影響區(qū)內(nèi)會(huì)受到刮板鏈運(yùn)行時(shí)以及運(yùn)輸物料的強(qiáng)沖擊作用，當(dāng)沖擊力超過刮板鏈自身靜態(tài)破斷載荷時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)刮板鏈斷裂事故。

2 刮板鏈斷鏈保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段最常用的刮板輸送機(jī)斷鏈保護(hù)裝置與帶式輸送機(jī)膠帶斷裂保護(hù)裝置類似，即在機(jī)尾從動(dòng)輪位置布置接近開關(guān)，通過實(shí)時(shí)檢測從動(dòng)輪運(yùn)行情況判定刮板鏈?zhǔn)欠癯霈F(xiàn)斷鏈?zhǔn)鹿蔥6-7]。當(dāng)刮板鏈斷鏈后，從動(dòng)輪由于失去動(dòng)力會(huì)失速，保護(hù)裝置會(huì)發(fā)出故障指令停止刮板輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。上述安全保護(hù)裝置對刮板鏈兩條鏈同時(shí)斷鏈時(shí)的惡性事故起到保護(hù)作用，但無法對刮板鏈單側(cè)斷鏈、錯(cuò)鏈以及掉道等故障進(jìn)行預(yù)警保護(hù)。

鑒于刮板輸送機(jī)斷鏈保護(hù)裝置存在功能不足的問題，筆者在對井下使用的多臺(tái)帶式輸送機(jī)刮板鏈在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷鏈故障分析的基礎(chǔ)上，除制定常規(guī)的管理、防銹措施之外，對刮板鏈斷鏈瞬間運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種刮板輸送機(jī)斷鏈保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)斷鏈?zhǔn)鹿实挠行z測，在發(fā)現(xiàn)刮板鏈斷鏈瞬間即可發(fā)出安全預(yù)警信息，便于現(xiàn)場人員及時(shí)處理[8]。

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

刮板鏈斷鏈檢測裝置結(jié)構(gòu)見圖4。其中弧形檢測片厚度為1.5～2.0 mm、材質(zhì)為鐵質(zhì)導(dǎo)磁材料，鄰近的兩個(gè)檢測片間距為2.0～3.0 mm。采用的接近開關(guān)測量范圍為15 mm。擺桿寬度、長度等由刮板輸送機(jī)寬度、安裝高度確定。檢測裝置采用軸承裝備，并固定于刮板機(jī)機(jī)頭過渡板后約300～350 mm位置。

圖4 刮板鏈斷鏈檢測裝置結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，檢測裝置兩側(cè)擺桿隨著鏈條、刮刀同步擺動(dòng)，并帶動(dòng)兩個(gè)檢測片繞著軸承往返運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)整弧形檢測片寬度，使得檢測片擺幅最大時(shí)接近開關(guān)檢測范圍之外，即擺幅最大在15 mm以上，確保檢測信號(hào)在1個(gè)檢測周期內(nèi)(耗時(shí)約1.5 s)存在明顯斷點(diǎn)。當(dāng)刮板輸送機(jī)出現(xiàn)單側(cè)斷鏈或者錯(cuò)鏈時(shí)，刮板輸送機(jī)刮刀兩側(cè)出現(xiàn)一定傾斜后兩側(cè)擺桿不能同步轉(zhuǎn)動(dòng)，且隨著刮板傾斜度增加，兩側(cè)擺桿間夾角加大，檢測片間相對位移也逐漸增加。當(dāng)相對位移超過接近開關(guān)檢測范圍后，在檢測周期內(nèi)即會(huì)出現(xiàn)檢測信號(hào)斷點(diǎn)，當(dāng)持續(xù)時(shí)間超過3 s時(shí)即認(rèn)為刮板輸送機(jī)出現(xiàn)斷鏈?zhǔn)鹿?，檢測裝置會(huì)報(bào)警并切斷刮板輸送機(jī)供電回路，從而實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)斷鏈檢測，避免斷鏈?zhǔn)鹿蕯U(kuò)大。

保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)包括接近開關(guān)、中間繼電器以及延時(shí)繼電器等構(gòu)成微型監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，依靠組態(tài)輸出預(yù)警及保護(hù)信號(hào)。通過安全聯(lián)鎖、延時(shí)保護(hù)可降低保護(hù)裝置誤動(dòng)作概率，延時(shí)時(shí)間可根據(jù)刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度確定，文中取值為3 s。在檢測過程中測點(diǎn)會(huì)受到振動(dòng)等影響輕微抖動(dòng)，時(shí)間一般在1 s以內(nèi)，不會(huì)觸發(fā)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

2.3 應(yīng)用效果

結(jié)合某礦井下布置的6臺(tái)刮板輸送機(jī)應(yīng)用情況，單臺(tái)刮板輸送機(jī)月均斷鏈3次，每次影響生產(chǎn)時(shí)間約為2 h，全年影響生產(chǎn)時(shí)間約為72 h，相當(dāng)于每年有3 d生產(chǎn)由于刮板輸送機(jī)斷鏈?zhǔn)鹿时黄戎袛唷?/p>

采用刮板輸送機(jī)斷鏈保護(hù)裝置后，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)刮板輸送機(jī)斷鏈，預(yù)計(jì)單臺(tái)刮板輸送機(jī)每年可節(jié)省設(shè)備維護(hù)費(fèi)用約6萬元，6臺(tái)刮板輸送機(jī)斷鏈保護(hù)裝置材料、加工費(fèi)用共計(jì)約1.3萬元，年可減少生產(chǎn)投入約34.7萬元。由此可見，斷鏈保護(hù)裝置可以提高井下刮板輸送機(jī)運(yùn)行保障能力，而且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié) 語

斷鏈?zhǔn)枪伟遢斔蜋C(jī)使用過程中常見事故類型，文中提出的刮板輸送機(jī)斷鏈保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡單，在后續(xù)使用過程中無需單獨(dú)進(jìn)行保養(yǎng)、維護(hù)，且礦井自己可加工制作，單臺(tái)設(shè)備成本僅為2 200元，進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐后取得了顯著的應(yīng)用成果。