刮板輸送機鏈牽引裝置受力分析及故障檢測

李 軍

（山西焦煤集團西山煤電屯蘭煤礦， 山西 太原 030052）

引言

刮板輸送機是煤礦井下的重要機電設備，是采落原煤的第一運輸環節，同時，輸送機的兩幫還安裝有采煤機的運行軌道以及液壓支架的拉移耳等裝置，因此刮板輸送機的運行狀態直接關系著井下煤炭開采的高效性和安全性。然而實際生產中，刮板輸送機發生故障的概率仍較高，尤其是刮板鏈和驅動鏈輪等裝置，易發生堵鏈、掉鏈和斷齒等故障，發現不及時將造成周邊設備嚴重損壞[1-3]。

近年來，隨著我國煤機制造技術的快速發展，大型刮板輸送機開發和制造技術日益成熟，結構也愈加復雜，如何提高故障檢測水平，仍是各大煤礦企業關注的重點問題。為此，對刮板輸送機鏈牽引裝置的受力分析及故障檢測技術進行研究。

1 刮板輸送機受力工況研究

刮板輸送機的負載簡化模型如圖1 所示，A 為驅動鏈輪，鏈條順時針運轉。假設設備連續運轉，則中部槽在單位長度上的運載量q 計算如下：

式中：Q 為單位時間內的設備運輸能力，t/h；v 為牽引裝置的運行速度，m/s。

圖1 刮板輸送機負載簡化模型

圖1 所示輸送機在重載工況下的運行阻力Wzh主要與煤炭與中板之間的摩擦阻力、鏈條與中部槽的摩擦阻力、載重及鏈條在傾斜方向的重力分力等相關，計算公式如下：

式中：w 為煤炭與中部槽上中板的摩擦系數，取0.6；q1為牽引鏈的單位長度重量；w1為牽引鏈與中部槽的摩擦系數，取0.3；l 為輸送機長度；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；β 為輸送機沿工作面的安裝傾角，取0°。

空載工況下，僅考慮鏈條與中部槽的摩擦阻力，以及鏈條在傾斜方向的重力分力等，因此空載運行阻力Wk計算如下：

假設圖1 所示 1、2、3、4 四處節點的鏈條張力分別為 S1、S2、S3、S4，則存在以下關系式：

由此可知，張力S1最小，理論上，S1越小越好，理想值為零。對于驅動鏈輪，其圓周方向的牽引力P=S4+S1，當 S1為零時，P=S4[4-6]。

2 鏈牽引裝置受力分析

2.1 有限元模型

利用Solidworks 三維軟件，分別對鏈輪和刮板鏈進行了建模，裝配后導出為*.x_t 格式，然后再導入有限元分析軟件LS-DYNA 中。設置材料彈性模量210 GPa，泊松比0.3。關鍵是在鏈輪與鏈環，以及橫鏈環與豎鏈環之間設置接觸約束。載荷添加環節，在鏈環一端施加載荷F1=P/2=800 kN，另一端載荷F2=S1=0。

2.2 結果分析

下頁圖2-1 為刮板鏈鏈環的接觸應力云圖，可見在相鄰鏈環相接兩端的abcd 四點處的接觸應力較大，出現局部應力集中現象，尤其是d 點的接觸應力達到1 032 MPa，可能造成局部塑性破壞。尤其在出現堵鏈等特殊工況時，該位置的應力集中現象將更加明顯，可能出現斷鏈故障。

圖2-2 為驅動鏈輪的接觸應力云圖，橫向的圓環鏈主要與鏈條的鏈窩面接觸，接觸面積較小，因此在鏈窩的底面和側面均有明顯的應力集中，側面的接觸應力高達1 582 MPa。在受到沖擊載荷作用時，該位置可能因局部較大變形而出現斷齒故障。

由此可知，在故障識別時，應同時對鏈環和鏈輪的應變量進行監測。鏈環的應變監測點可設置在承受拉伸載荷的截面外側，而鏈輪的的監測點需設置在輪齒根部。

圖2 有限元分析結果接觸應力（Pa）云圖

3 鏈牽引裝置故障檢測硬件組成

3.1 刮板鏈變形檢測

圖3 為刮板鏈變形檢測裝置的安裝示意圖，首先，分別在雙鏈的對應鏈環上粘貼應變片；然后，用刮板上、下部分將鏈環裝卡，4 處應變片的信號線從圖中對應的4 個孔中引出，并埋在刮板表面的布線槽中；信號線最終通過圖示的孔5，將信號導入采集器中，采集器安裝在刮板側邊的安裝槽內，采集器可通過無線通訊將鏈環的應變信號傳輸至遠端監控設備。

圖3 刮板鏈變形檢測裝置安裝示意圖

3.2 驅動鏈輪變形檢測

首先，為避免應變檢測裝置受損，且所檢測應變能反映輪齒的變形情況，應將應變片貼在鏈輪的輪齒根部；然后，將信號線引至非驅動側軸端的固定裝置內，在此將應變測量值進一步處理后，通過無線通訊裝置將信號發送至遠端設備，由此完成信號采集。需注意，由于重型刮板輸送機為雙鏈條傳動，因此在同一驅動軸上有兩個驅動鏈輪，應分別對兩鏈輪的變形進行檢測。

3.3 信號采集系統

信號采集系統主要包括信號采集、無線傳輸和分析處理三個模塊，其中信號采集裝置負責對應變片的電信號進行收集和處理，轉化為穩定的數字信號；無線輸出模塊負責將反映監測位置應變大小的數字信號發送至遠端的無線AP，并最終通過井下數據傳輸網絡，將監測信號上傳至數據監測系統內，進一步對變形量等進行分析，并判斷是否預警等操作。

4 鏈牽引裝置故障檢測系統工作原理

4.1 故障檢測原理

刮板輸送機的常見故障包括卡鏈和斷鏈兩種。對于重型刮板輸送機常用的雙鏈牽引形式，故障通常先發生在一處鏈條上，然后另一鏈條也發生故障。而對于上述情況，在故障發生和惡化前，必然出現鏈輪和鏈條應變量的急劇變化與波動，因此通過監測以上位置的應變，即可對卡鏈和斷鏈故障進行判斷、識別，進而提前進行停機保護，防止發生更大范圍的設備損壞。

故障的基本判斷方法是：當發生卡鏈故障時，驅動鏈輪輪齒和相應位置刮板鏈的應變量變化幅度較大，且應變量都快速增大；當發生斷鏈故障時，驅動鏈輪和刮板鏈的應變量變化幅度也較大，但兩者均快速減小。

4.2 軟件檢測流程設計

在以上原理基礎上，設計鏈牽引裝置的故障檢測軟件，其控制流程如下頁圖4 所示。

圖4 鏈牽引裝置故障檢測系統流程圖

首先，需定義 J1、J2、W1、W2四個參數，其中，J1為鏈輪應變變化率最小預警值，J2為刮板鏈應變變化率最小預警值，W1為實際監測的鏈輪應變變化率計算值，W2為實際監測的刮板鏈應變變化率計算值。

軟件初始化完成后，需首先設置J1、J2兩項預警閾值，然后系統自動開始采集當前鏈輪和刮板鏈的實際應變值（由井下無線信號采集系統提供），然后對相應的實際應變變化率進行計算。為避免短時卡阻、沖擊等造成的檢測數據偏差，需取連續6 s 時間以內的計算值進行對比分析，當應變變化率未超過設定閾值（一般可取10%）時，說明鏈牽引系統無故障，系統自動進入下一循環繼續檢測；但是，當兩項應變變化率均超過設定閾值時，說明鏈牽引系統發生故障，需發出停機檢修信號。隨后，軟件判斷故障發生時應變為增大或減小，當應變為增大時，說明發生卡鏈故障，系統發出卡鏈故障報警信息；當應變為減小時，說明發生斷鏈故障，系統發出斷鏈故障報警信息。

5 結語

重型刮板輸送機工作負荷大，工況條件惡劣，其鏈牽引裝置容易發生卡鏈、斷鏈等故障，維修不及時將造成周邊設備進一步損壞，嚴重影響井下生產，為解決這一問題，應通過對刮板輸送機的受力工況和刮板鏈張力進行研究，利用有限元軟件分析刮板鏈和鏈輪的受力特點，對刮板鏈變形檢測、鏈輪變形檢測、信號采集等故障檢測系統的硬件組成進行研究，并設計系統檢測軟件流程。