礦用刮板輸送機(jī)刮板鏈E型螺栓失效分析與改進(jìn)應(yīng)用

王宇飛

（潞安集團(tuán)漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治046000）

引言

在煤礦綜采工作面中，刮板輸送機(jī)是一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，而刮板鏈在刮板輸送機(jī)中處于核心單元，也是事故的頻發(fā)環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其中由管板鏈導(dǎo)致事故可以達(dá)到36%。由于刮板鏈在工作的過(guò)程中，需要承擔(dān)頻繁的沖擊負(fù)荷，同時(shí)需要和物料接觸，因此工況環(huán)境惡劣，由此需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)防性的維護(hù)，反之將會(huì)引起嚴(yán)重的安全事故。

1 E型螺栓失效現(xiàn)場(chǎng)情況

山西某礦108綜采工作面相關(guān)參數(shù)為：長(zhǎng)度、平均采高、走向長(zhǎng)度：300 m、6.5 m、5 500 m，其采儲(chǔ)量可以達(dá)到1 300萬(wàn)t，選用的刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ 1400/4800，相應(yīng)刮板鏈為礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈（Φ56 mm×187 mm），計(jì)劃開(kāi)采1.5 a。由于工作面地質(zhì)比較好，地板起伏相對(duì)平緩。刮板機(jī)在運(yùn)行的初級(jí)階段工作狀態(tài)良好，但使用300 d之后，管板鏈緊固螺母出現(xiàn)頻繁松動(dòng)的現(xiàn)象。與此同時(shí)，與刮板聯(lián)接的E型螺栓出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，斷裂率可以達(dá)到3～5個(gè)/d，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)在60 d內(nèi)共計(jì)斷裂了160個(gè)，因此給生產(chǎn)效率帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。

2 E型螺栓失效分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)情況觀察與分析

圖1表示相應(yīng)的E型螺栓斷裂失效圖。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地查看發(fā)現(xiàn)，E型螺栓的斷裂部位如圖1-1所示，其屬于中間螺柱發(fā)生斷裂，該類(lèi)型的斷裂達(dá)到斷裂次數(shù)的90%以上；而端部斷裂僅僅占斷裂次數(shù)的10%左右。依據(jù)相應(yīng)的失效原理可以發(fā)現(xiàn)，由于中間螺柱發(fā)生斷裂，而由于檢修與更換不到位導(dǎo)致發(fā)生了一系列問(wèn)題，進(jìn)一步加劇E型螺栓端部螺柱發(fā)生斷裂。

圖1 E型螺栓失效現(xiàn)象

在制造時(shí)E型螺栓選用工藝為整體模鍛成型法，其材質(zhì)選用35CrMo，調(diào)制處理硬度選用范圍在HB260～320之間，規(guī)格為M36，因此其具有較高的強(qiáng)度，由此可以看出，螺栓發(fā)生斷裂的原因應(yīng)該是受到較大的外力沖擊。

通過(guò)分析圖1-2的E型螺栓可以發(fā)現(xiàn)，在中間螺柱兩側(cè)存在明顯的橫梁磕碰現(xiàn)象，其尺寸比原先的減小了3 mm。依據(jù)相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，其磕碰是由于螺栓與鏈輪的沖擊造成。經(jīng)過(guò)對(duì)井下鏈輪的工作使用進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)使用180 d之后，處于機(jī)尾位置的鏈輪密封已經(jīng)失效，同時(shí)完成更換。相應(yīng)的機(jī)頭鏈輪并未進(jìn)行更換，鏈窩磨損程度達(dá)到18 mm，經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)機(jī)頭鏈輪與E型螺栓的橫梁之間磨損量達(dá)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(dǎo)致的，因此需要進(jìn)一步的分析[1-2]。

2.2 鏈輪與鏈條嚙合關(guān)系分析

一般刮板鏈?zhǔn)怯涉湕l、刮板、E型螺栓等組成，這樣能夠借助多個(gè)圓環(huán)鏈的形式形成封閉鏈條，刮板以及相應(yīng)的E型螺栓上下聯(lián)接固定在圓環(huán)鏈上。通常情況下，電機(jī)工作時(shí)帶動(dòng)機(jī)頭與機(jī)位運(yùn)動(dòng)，從而可以驅(qū)動(dòng)刮板機(jī)鏈做單向運(yùn)動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)物料輸送的目的。

下頁(yè)圖2表示相應(yīng)的鏈輪以及鏈條嚙合關(guān)系示意圖，圓環(huán)鏈與鏈輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其嚙合形式為開(kāi)放式非共軛，因此傳動(dòng)精度比較低，運(yùn)動(dòng)時(shí)存在較大的波動(dòng)，能夠較好地滿足過(guò)載沖擊。與此同時(shí)，圓環(huán)鏈其具有柔性，從而可以適應(yīng)于刮板機(jī)輸送過(guò)程中可彎曲的特點(diǎn)。在工作的過(guò)程中，鏈條與鏈輪的齒窩之間存在顯著的滑動(dòng)，同時(shí)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(guò)程中都選用高強(qiáng)度的合金鋼，同時(shí)進(jìn)行了特殊的熱處理工藝，但是由于其惡劣的工況導(dǎo)致鏈條與鏈輪使用壽命比較短，因此需要定期進(jìn)行更換。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)鏈條的使用壽命一般在1～2 a之間，而對(duì)應(yīng)的鏈輪使用壽命大致在0.5～1 a之間。對(duì)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(guān)系示意圖

2.3 E型螺栓失效的原因分析

通過(guò)分析圖2-1，依據(jù)相關(guān)規(guī)定將E型螺栓以及相應(yīng)的鏈輪之間的間隙保持在12 mm以內(nèi)，其僅僅能夠?qū)⒐伟骞潭ㄔ阪湕l的平環(huán)上。由于刮板處于單向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，刮板圓弧和圓環(huán)鏈立環(huán)相接觸，同時(shí)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(dān)橫向的作用力，由此可以看出其能達(dá)到工作需要的強(qiáng)度。在工作的過(guò)程中，當(dāng)鏈輪齒窩不斷磨損，將會(huì)導(dǎo)致E型螺栓側(cè)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(dá)到12 mm以上，將會(huì)導(dǎo)致E型螺栓的側(cè)面與鏈輪齒相接觸。假如不及時(shí)更換新的鏈輪，將會(huì)出現(xiàn)鏈輪齒頂住E型螺栓橫梁的現(xiàn)象。E型螺栓橫梁可以借助螺柱帶動(dòng)刮板動(dòng)作，接著再由刮板圓弧推動(dòng)立環(huán)動(dòng)作，E型螺栓的作用從固定刮板變成推動(dòng)鏈傳動(dòng)的中介。對(duì)于Φ56 mm×187 mm的鏈條而言，其額定牽引力可以達(dá)到800 kN，在工作的過(guò)程中鏈輪齒會(huì)受到頻繁的作用，通常導(dǎo)致螺母發(fā)生松動(dòng)，最終將會(huì)使得E型螺栓的螺柱出現(xiàn)不正常的斷裂。依據(jù)簡(jiǎn)支梁的受力原理可以發(fā)現(xiàn)，中間螺柱受力比較大，最終出現(xiàn)最先斷裂的現(xiàn)象。

3 改進(jìn)措施

要想能夠提高圓環(huán)鏈的使用壽命，必須對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，提高刮板鏈的工作環(huán)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(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須充分考慮刮板輸送機(jī)的工況，從而能夠有效地提高零件的使用壽命。依據(jù)相應(yīng)的受力可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刮板重量達(dá)到120 kg時(shí)，而相應(yīng)的E型螺栓底部斷面為60 mm×80 mm，這時(shí)其所能承擔(dān)的彎曲應(yīng)力可以達(dá)到1 440 MPa，因此能夠滿足刮板輸送機(jī)的工作需要。圖3表示E型螺栓底端斷面變窄設(shè)計(jì)，這樣在初始設(shè)計(jì)E型螺栓與鏈輪齒之間的間隙時(shí)，間距從12 mm變成20 mm。當(dāng)鏈窩出現(xiàn)磨損之后，有效防止E型螺栓與相應(yīng)的鏈輪齒相接觸，進(jìn)而可以有效地避免E型螺栓的螺柱出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

圖3 修改設(shè)計(jì)后鏈輪與鏈條嚙合關(guān)系示意圖

4 應(yīng)用效果

通過(guò)分析E型螺栓的失效形式結(jié)果，相關(guān)單位在設(shè)備維護(hù)方面增加了力度，在2019年4月對(duì)存在磨損的鏈輪進(jìn)行及時(shí)更換。同時(shí)對(duì)刮板鏈輪進(jìn)行全面檢修，共計(jì)更換了50個(gè)E型螺栓。經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在180 d以內(nèi)并未出現(xiàn)E型螺栓失效的現(xiàn)象，同時(shí)極大地提高了設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

1）在對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的過(guò)程中，必須嚴(yán)格依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范，保證各個(gè)零件之間保持一定的間隙，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

2）在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須考慮設(shè)備的失效情況以及對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行優(yōu)化，保證其具有足夠的強(qiáng)度及較高的可靠性。