刮板輸送機鏈傳動故障診斷研究

李 斌

（潞安化工集團漳村煤礦，山西 長治 046032）

引言

刮板輸送機是煤炭企業生產的重要運輸設備，對企業科學高效發展至關重要。鏈傳動系統作為刮板輸送機物料運輸過程中的主要承載與牽引系統，對刮板輸送機安全穩定運行、煤炭企業安全高效生產影響重大[1-2]。隨著我國自動化、智能化技術的不斷提升，刮板輸送機也逐步得以完善，自動化與智能化水平的提高使得刮板輸送機故障發生的概率也逐步增加，加之系統結構的不斷復雜，針對刮板輸送機鏈傳動系統的故障診斷研究意義重大[3]。本文運用中部槽振動分析的方法進行刮板輸送機鏈傳動系統故障診斷研究，以期保障刮板輸送機鏈傳動系統的穩定運行，提高企業生產效率。

1 刮板輸送機及其鏈傳動系統分析

刮板輸送機是煤炭企業開采的重要綜采設備，除進行煤炭以及矸石運輸外，還可對采煤機產生支撐以及導向作用，同時還可向液壓支架提供支點。刮板輸送機種類較多，本文主要以雙鏈刮板輸送機為主要研究對象，該類刮板輸送機結構示意圖如圖1所示。雙鏈刮板輸送機主要分為機頭、機身以及機尾三部分。其中，機頭部分主要包括傳動裝置、動力平衡裝置、動力垂直裝置、鵝頸槽以及整體機架；機身部分主要由鏈傳動部件以及中部槽構成；機尾部分主要由傳動裝置、動力裝置、機架、油缸以及各類組件構成[4-5]。

據統計，刮板輸送機的故障中有70%以上故障是由于刮板輸送機鏈傳動系統故障造成的。常見的刮板輸送機鏈傳動系統故障主要有刮板鏈卡頓以及刮板鏈斷裂兩種。其中，刮板鏈卡頓的發生表現為電動機卡頓、刮板鏈繃直不動；刮板鏈斷裂主要是故障處刮板鏈斷開，未保持連接狀態。產生刮板鏈卡頓與斷裂的原因主要有鏈條受力不均衡、鏈條長度過長以及組件間配合較差等[6]。鏈傳動系統故障的發生往往伴隨著中部槽振動特性的變化，因此本文基于對鏈傳動系統中部槽振動狀態的監測對鏈傳動系統進行故障診斷分析。

圖1 雙鏈刮板輸送機三維結構示意圖

2 刮板輸送機鏈傳動故障診斷研究

2.1 振動模態分析

針對鏈傳動系統中部槽的振動模態分析本文采用有限元的方法進行分析。有限元分析法是將中部槽模擬成為由多個離散體組成，且由多個節點連接成的模型，然后對模型中的各單元進行插值以及微分計算，再運用加權余量法以及變分法即可得出中部槽的振動特性。振動模態分析的具體步驟圖如圖2所示。

初步確定進行中部槽實體模型的建立，包括分類類型、單元類型以及模型類型的確定三部分，類型設置應為裝配體；前處理主要包括模型建立、材料選擇以及網格建立三部分，本文主要以重型刮板輸送機為研究對象，運用Creo 2.0軟件進行三維建模，材料密度設定為7 866 kg/m3，彈性模量設定為230 GPa，泊松比設置為0.3。建立的模型中單元數量共有773 782個，節點數量共有1 117 993個；求解主要是對邊界條件、載荷以及模型所需數據進行求解。其中，刮板與刮板鏈橫鏈的約束應設置為固定型，其他部件間的約束應設置為接觸型；后處理主要是對分析結果進行驗證分析，求出中部槽振動模態的固有頻率。按上述步驟進行模擬分析，可得相關數據如表1所示。由表1數據可知，振動模態數據仿真誤差較小，可反映中部槽的振動特性。

圖2 振動模態分析步驟示意圖

表1 振動模態分析相關數據

2.2 動態傳輸模型建立

動態傳輸模型的建立主要包括三個步驟，第一步是進行中部槽模型的基本參數設定，具體包括長度、截面積、鏈條速度、重量以及傾斜角度。本文設置長度為305 m，截面積設置為0.67 m2，鏈條速度設置為0～2 m/s，質量設置為190 kg/m，傾斜角度為1°；第二步為運用Creo 2.0軟件進行三維建模，具體步驟與2.1相同；第三步為張緊力與載荷的施加。本文的仿真時間步設置為0.001 s，通過改變中部槽的不同狀態進行振動特性分析。按上述方法進行模型建立，其傳輸系統三維示意圖如圖3所示。其中，V為鏈條運行速度，m/s；F為張緊力，N。

圖3 中部槽動態傳輸模型示意圖

2.3 振動信號分析

中部槽振動信號的分析首先應進行正常運行工況設置。本文設置鏈傳動系統在0～0.5 s內屬于均勻加速狀態，由靜止加速至1 m/s并進行勻速運動，保持勻速運動到5.5 s后系統開始進行減速，直至運行至系統停止。正常運行狀態下中部槽的振動信號如圖4-1所示。由圖4-1可知，正常運行狀態下的振動信號在加速與減速階段未呈現出規律，在進入均加速狀態后，中部槽的振動信號可看作時間間隔相同的多段信號，間隔可假設為ΔT，則ΔT時間段內鏈條運行的長度為L。

刮板鏈卡頓故障的振動信號如圖4-2所示。刮板鏈卡頓故障其實際過程就是在刮板輸送機正常運行過程中出現了刮板鏈速度瞬間降低為0的過程，其余時間刮板輸送機運行正常。當電動機發生卡頓現象后，速度變為0，鏈條各部件會張緊，鏈條停止運動，卡頓現象過后，速度會恢復為1 m/s，繼續進入正常運行狀態。由圖4-2可知，當刮板鏈卡頓故障發生后，故障振動信號的顯示會有0.5 s左右的延遲，這是因為中部槽與其他部件主要通過摩擦力相互作用，當故障發生后，摩擦力作用刮板鏈張緊會有一定的延遲，因此振動信號也會有0.5 s左右的延遲作用。刮板鏈斷裂故障的振動為圖4-2所示。通過圖4-1與圖4-2、圖4-3對比可知，故障狀態下加速度變化明顯，可顯著判斷出故障狀態。由圖4-2與圖4-3進行對比可知，刮板輸送機發生刮板鏈卡頓故障與刮板鏈斷裂故障時，振動信號狀態較為相似，較難判斷，因此本文提出了運用自適應最優核時頻分布的方法進行故障判斷。

圖4 不同狀態下振動信號示意圖

2.4 振動信號時頻表示分析

對刮板輸送機進行時頻特性分析，可得振動信號時頻表示圖如圖5所示。圖5中的明亮地帶表示高能量區域，對比圖5-1與圖5-2可發現，刮板鏈斷裂的高能量區域與卡頓故障區別明顯。斷裂故障存在兩個高能量區域且頻率范圍高于卡頓故障。

圖5 振動信號時頻表示圖

3 結論

作為煤炭企業井下運輸的關鍵設備，刮板運輸機的穩定運行對企業高效生產至關重要。通過分析可知，鏈傳動系統故障為刮板運輸機故障的主要部分。對此，本文運用了中部槽振動分析的方法進行鏈傳動故障診斷分析，通過分析研究得出了以下結論：

1）刮板輸送機鏈傳動系統故障主要包括刮板鏈斷裂故障與刮板鏈卡頓故障兩種。

2）運用振動信號分析的方法可較好地區分出刮板輸送機鏈傳動系統處于正常狀態還是故障狀態，但無法判斷具體故障類型；運用振動信號時頻表示分析方法可判斷出刮板鏈故障為斷裂故障還是卡頓故障。

3）對上述方法進行測試研究后發現，該診斷方法判斷準確，400組振動信號數據診斷準確率為100%，符合相關設計要求。