礦用刮板輸送機刮板鏈E型螺栓失效分析與改進應用

王宇飛

（潞安集團漳村煤礦，山西 長治046000）

引言

在煤礦綜采工作面中，刮板輸送機是一個關鍵設備，而刮板鏈在刮板輸送機中處于核心單元，也是事故的頻發環節。經過對刮板輸送機故障進行統計發現，其中由管板鏈導致事故可以達到36%。由于刮板鏈在工作的過程中，需要承擔頻繁的沖擊負荷，同時需要和物料接觸，因此工況環境惡劣，由此需要對其進行預防性的維護，反之將會引起嚴重的安全事故。

1 E型螺栓失效現場情況

山西某礦108綜采工作面相關參數為：長度、平均采高、走向長度：300 m、6.5 m、5 500 m，其采儲量可以達到1 300萬t，選用的刮板輸送機型號為SGZ 1400/4800，相應刮板鏈為礦用高強度圓環鏈（Φ56 mm×187 mm），計劃開采1.5 a。由于工作面地質比較好，地板起伏相對平緩。刮板機在運行的初級階段工作狀態良好，但使用300 d之后，管板鏈緊固螺母出現頻繁松動的現象。與此同時，與刮板聯接的E型螺栓出現斷裂的現象，斷裂率可以達到3～5個/d，經過統計在60 d內共計斷裂了160個，因此給生產效率帶來了嚴重的影響。

2 E型螺栓失效分析

2.1 現場情況觀察與分析

圖1表示相應的E型螺栓斷裂失效圖。在對現場進行實地查看發現，E型螺栓的斷裂部位如圖1-1所示，其屬于中間螺柱發生斷裂，該類型的斷裂達到斷裂次數的90%以上；而端部斷裂僅僅占斷裂次數的10%左右。依據相應的失效原理可以發現，由于中間螺柱發生斷裂，而由于檢修與更換不到位導致發生了一系列問題，進一步加劇E型螺栓端部螺柱發生斷裂。

圖1 E型螺栓失效現象

在制造時E型螺栓選用工藝為整體模鍛成型法，其材質選用35CrMo，調制處理硬度選用范圍在HB260～320之間，規格為M36，因此其具有較高的強度，由此可以看出，螺栓發生斷裂的原因應該是受到較大的外力沖擊。

通過分析圖1-2的E型螺栓可以發現，在中間螺柱兩側存在明顯的橫梁磕碰現象，其尺寸比原先的減小了3 mm。依據相關分析可以發現，其磕碰是由于螺栓與鏈輪的沖擊造成。經過對井下鏈輪的工作使用進行分析發現：當使用180 d之后，處于機尾位置的鏈輪密封已經失效，同時完成更換。相應的機頭鏈輪并未進行更換，鏈窩磨損程度達到18 mm，經過觀察發現機頭鏈輪與E型螺栓的橫梁之間磨損量達到3～5 mm。因此可以斷定螺栓斷裂很可能是由于螺栓與鏈輪之間的碰撞導致的，因此需要進一步的分析[1-2]。

2.2 鏈輪與鏈條嚙合關系分析

一般刮板鏈是由鏈條、刮板、E型螺栓等組成，這樣能夠借助多個圓環鏈的形式形成封閉鏈條，刮板以及相應的E型螺栓上下聯接固定在圓環鏈上。通常情況下，電機工作時帶動機頭與機位運動，從而可以驅動刮板機鏈做單向運動，從而可以實現物料輸送的目的。

下頁圖2表示相應的鏈輪以及鏈條嚙合關系示意圖，圓環鏈與鏈輪在運動過程中，其嚙合形式為開放式非共軛，因此傳動精度比較低，運動時存在較大的波動，能夠較好地滿足過載沖擊。與此同時，圓環鏈其具有柔性，從而可以適應于刮板機輸送過程中可彎曲的特點。在工作的過程中，鏈條與鏈輪的齒窩之間存在顯著的滑動，同時由于鏈條中存在的矸石、石英砂粒等下落物，加劇了鏈條與鏈輪的磨損。雖然在制造鏈條與鏈輪的過程中都選用高強度的合金鋼，同時進行了特殊的熱處理工藝，但是由于其惡劣的工況導致鏈條與鏈輪使用壽命比較短，因此需要定期進行更換。經過統計發現鏈條的使用壽命一般在1～2 a之間，而對應的鏈輪使用壽命大致在0.5～1 a之間。對于矸石含量較高的工作面而言，通常90 d左右都需要更換鏈輪[3]。

圖2 鏈輪與鏈條嚙合關系示意圖

2.3 E型螺栓失效的原因分析

通過分析圖2-1，依據相關規定將E型螺栓以及相應的鏈輪之間的間隙保持在12 mm以內，其僅僅能夠將刮板固定在鏈條的平環上。由于刮板處于單向運動的過程中，刮板圓弧和圓環鏈立環相接觸，同時保證E型螺栓與鏈輪齒之間保持一定的間隙，以及不需要承擔橫向的作用力，由此可以看出其能達到工作需要的強度。在工作的過程中，當鏈輪齒窩不斷磨損，將會導致E型螺栓側面與鏈輪齒窩之間的間隙逐漸減小，如圖2-2所示[4]，假如鏈輪窩的磨損達到12 mm以上，將會導致E型螺栓的側面與鏈輪齒相接觸。假如不及時更換新的鏈輪，將會出現鏈輪齒頂住E型螺栓橫梁的現象。E型螺栓橫梁可以借助螺柱帶動刮板動作，接著再由刮板圓弧推動立環動作，E型螺栓的作用從固定刮板變成推動鏈傳動的中介。對于Φ56 mm×187 mm的鏈條而言，其額定牽引力可以達到800 kN，在工作的過程中鏈輪齒會受到頻繁的作用，通常導致螺母發生松動，最終將會使得E型螺栓的螺柱出現不正常的斷裂。依據簡支梁的受力原理可以發現，中間螺柱受力比較大，最終出現最先斷裂的現象。

3 改進措施

要想能夠提高圓環鏈的使用壽命，必須對其進行維護，提高刮板鏈的工作環境。為了能夠有效地使得E型螺栓不再受到非正常受力，必須使得E型螺栓與鏈輪輪齒之間保持一定的間距。

在進行設計的過程中，必須充分考慮刮板輸送機的工況，從而能夠有效地提高零件的使用壽命。依據相應的受力可以發現，當刮板重量達到120 kg時，而相應的E型螺栓底部斷面為60 mm×80 mm，這時其所能承擔的彎曲應力可以達到1 440 MPa，因此能夠滿足刮板輸送機的工作需要。圖3表示E型螺栓底端斷面變窄設計，這樣在初始設計E型螺栓與鏈輪齒之間的間隙時，間距從12 mm變成20 mm。當鏈窩出現磨損之后，有效防止E型螺栓與相應的鏈輪齒相接觸，進而可以有效地避免E型螺栓的螺柱出現斷裂的現象。

圖3 修改設計后鏈輪與鏈條嚙合關系示意圖

4 應用效果

通過分析E型螺栓的失效形式結果，相關單位在設備維護方面增加了力度，在2019年4月對存在磨損的鏈輪進行及時更換。同時對刮板鏈輪進行全面檢修，共計更換了50個E型螺栓。經過實踐發現，在180 d以內并未出現E型螺栓失效的現象，同時極大地提高了設備的運行質量。

5 結語

1）在對設備進行維護的過程中，必須嚴格依據相應的規范，保證各個零件之間保持一定的間隙，提高設備運行的可靠性。

2）在設計的過程中，必須考慮設備的失效情況以及對各個零件進行優化，保證其具有足夠的強度及較高的可靠性。