刮板輸送機(jī)鏈牽引裝置受力分析及故障檢測(cè)

李 軍

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電屯蘭煤礦， 山西 太原 030052）

引言

刮板輸送機(jī)是煤礦井下的重要機(jī)電設(shè)備，是采落原煤的第一運(yùn)輸環(huán)節(jié)，同時(shí)，輸送機(jī)的兩幫還安裝有采煤機(jī)的運(yùn)行軌道以及液壓支架的拉移耳等裝置，因此刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系著井下煤炭開(kāi)采的高效性和安全性。然而實(shí)際生產(chǎn)中，刮板輸送機(jī)發(fā)生故障的概率仍較高，尤其是刮板鏈和驅(qū)動(dòng)鏈輪等裝置，易發(fā)生堵鏈、掉鏈和斷齒等故障，發(fā)現(xiàn)不及時(shí)將造成周邊設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞[1-3]。

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤機(jī)制造技術(shù)的快速發(fā)展，大型刮板輸送機(jī)開(kāi)發(fā)和制造技術(shù)日益成熟，結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜，如何提高故障檢測(cè)水平，仍是各大煤礦企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。為此，對(duì)刮板輸送機(jī)鏈牽引裝置的受力分析及故障檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究。

1 刮板輸送機(jī)受力工況研究

刮板輸送機(jī)的負(fù)載簡(jiǎn)化模型如圖1 所示，A 為驅(qū)動(dòng)鏈輪，鏈條順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)。假設(shè)設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，則中部槽在單位長(zhǎng)度上的運(yùn)載量q 計(jì)算如下：

式中：Q 為單位時(shí)間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)輸能力，t/h；v 為牽引裝置的運(yùn)行速度，m/s。

圖1 刮板輸送機(jī)負(fù)載簡(jiǎn)化模型

圖1 所示輸送機(jī)在重載工況下的運(yùn)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(guān)，計(jì)算公式如下：

式中：w 為煤炭與中部槽上中板的摩擦系數(shù)，取0.6；q1為牽引鏈的單位長(zhǎng)度重量；w1為牽引鏈與中部槽的摩擦系數(shù)，取0.3；l 為輸送機(jī)長(zhǎng)度；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；β 為輸送機(jī)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(yùn)行阻力Wk計(jì)算如下：

假設(shè)圖1 所示 1、2、3、4 四處節(jié)點(diǎn)的鏈條張力分別為 S1、S2、S3、S4，則存在以下關(guān)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(duì)于驅(qū)動(dòng)鏈輪，其圓周方向的牽引力P=S4+S1，當(dāng) S1為零時(shí)，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(duì)鏈輪和刮板鏈進(jìn)行了建模，裝配后導(dǎo)出為*.x_t 格式，然后再導(dǎo)入有限元分析軟件LS-DYNA 中。設(shè)置材料彈性模量210 GPa，泊松比0.3。關(guān)鍵是在鏈輪與鏈環(huán)，以及橫鏈環(huán)與豎鏈環(huán)之間設(shè)置接觸約束。載荷添加環(huán)節(jié)，在鏈環(huán)一端施加載荷F1=P/2=800 kN，另一端載荷F2=S1=0。

2.2 結(jié)果分析

下頁(yè)圖2-1 為刮板鏈鏈環(huán)的接觸應(yīng)力云圖，可見(jiàn)在相鄰鏈環(huán)相接兩端的abcd 四點(diǎn)處的接觸應(yīng)力較大，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，尤其是d 點(diǎn)的接觸應(yīng)力達(dá)到1 032 MPa，可能造成局部塑性破壞。尤其在出現(xiàn)堵鏈等特殊工況時(shí)，該位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象將更加明顯，可能出現(xiàn)斷鏈故障。

圖2-2 為驅(qū)動(dòng)鏈輪的接觸應(yīng)力云圖，橫向的圓環(huán)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(cè)面均有明顯的應(yīng)力集中，側(cè)面的接觸應(yīng)力高達(dá)1 582 MPa。在受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，該位置可能因局部較大變形而出現(xiàn)斷齒故障。

由此可知，在故障識(shí)別時(shí)，應(yīng)同時(shí)對(duì)鏈環(huán)和鏈輪的應(yīng)變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鏈環(huán)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在承受拉伸載荷的截面外側(cè)，而鏈輪的的監(jiān)測(cè)點(diǎn)需設(shè)置在輪齒根部。

圖2 有限元分析結(jié)果接觸應(yīng)力（Pa）云圖

3 鏈牽引裝置故障檢測(cè)硬件組成

3.1 刮板鏈變形檢測(cè)

圖3 為刮板鏈變形檢測(cè)裝置的安裝示意圖，首先，分別在雙鏈的對(duì)應(yīng)鏈環(huán)上粘貼應(yīng)變片；然后，用刮板上、下部分將鏈環(huán)裝卡，4 處應(yīng)變片的信號(hào)線(xiàn)從圖中對(duì)應(yīng)的4 個(gè)孔中引出，并埋在刮板表面的布線(xiàn)槽中；信號(hào)線(xiàn)最終通過(guò)圖示的孔5，將信號(hào)導(dǎo)入采集器中，采集器安裝在刮板側(cè)邊的安裝槽內(nèi)，采集器可通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊將鏈環(huán)的應(yīng)變信號(hào)傳輸至遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備。

圖3 刮板鏈變形檢測(cè)裝置安裝示意圖

3.2 驅(qū)動(dòng)鏈輪變形檢測(cè)

首先，為避免應(yīng)變檢測(cè)裝置受損，且所檢測(cè)應(yīng)變能反映輪齒的變形情況，應(yīng)將應(yīng)變片貼在鏈輪的輪齒根部；然后，將信號(hào)線(xiàn)引至非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸端的固定裝置內(nèi)，在此將應(yīng)變測(cè)量值進(jìn)一步處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊裝置將信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)端設(shè)備，由此完成信號(hào)采集。需注意，由于重型刮板輸送機(jī)為雙鏈條傳動(dòng)，因此在同一驅(qū)動(dòng)軸上有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)鏈輪，應(yīng)分別對(duì)兩鏈輪的變形進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 信號(hào)采集系統(tǒng)

信號(hào)采集系統(tǒng)主要包括信號(hào)采集、無(wú)線(xiàn)傳輸和分析處理三個(gè)模塊，其中信號(hào)采集裝置負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)變片的電信號(hào)進(jìn)行收集和處理，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)；無(wú)線(xiàn)輸出模塊負(fù)責(zé)將反映監(jiān)測(cè)位置應(yīng)變大小的數(shù)字信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)端的無(wú)線(xiàn)AP，并最終通過(guò)井下數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)信號(hào)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)一步對(duì)變形量等進(jìn)行分析，并判斷是否預(yù)警等操作。

4 鏈牽引裝置故障檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

4.1 故障檢測(cè)原理

刮板輸送機(jī)的常見(jiàn)故障包括卡鏈和斷鏈兩種。對(duì)于重型刮板輸送機(jī)常用的雙鏈牽引形式，故障通常先發(fā)生在一處鏈條上，然后另一鏈條也發(fā)生故障。而對(duì)于上述情況，在故障發(fā)生和惡化前，必然出現(xiàn)鏈輪和鏈條應(yīng)變量的急劇變化與波動(dòng)，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)以上位置的應(yīng)變，即可對(duì)卡鏈和斷鏈故障進(jìn)行判斷、識(shí)別，進(jìn)而提前進(jìn)行停機(jī)保護(hù)，防止發(fā)生更大范圍的設(shè)備損壞。

故障的基本判斷方法是：當(dāng)發(fā)生卡鏈故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)鏈輪輪齒和相應(yīng)位置刮板鏈的應(yīng)變量變化幅度較大，且應(yīng)變量都快速增大；當(dāng)發(fā)生斷鏈故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)鏈輪和刮板鏈的應(yīng)變量變化幅度也較大，但兩者均快速減小。

4.2 軟件檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

在以上原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)鏈牽引裝置的故障檢測(cè)軟件，其控制流程如下頁(yè)圖4 所示。

圖4 鏈牽引裝置故障檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

首先，需定義 J1、J2、W1、W2四個(gè)參數(shù)，其中，J1為鏈輪應(yīng)變變化率最小預(yù)警值，J2為刮板鏈應(yīng)變變化率最小預(yù)警值，W1為實(shí)際監(jiān)測(cè)的鏈輪應(yīng)變變化率計(jì)算值，W2為實(shí)際監(jiān)測(cè)的刮板鏈應(yīng)變變化率計(jì)算值。

軟件初始化完成后，需首先設(shè)置J1、J2兩項(xiàng)預(yù)警閾值，然后系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始采集當(dāng)前鏈輪和刮板鏈的實(shí)際應(yīng)變值（由井下無(wú)線(xiàn)信號(hào)采集系統(tǒng)提供），然后對(duì)相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)變變化率進(jìn)行計(jì)算。為避免短時(shí)卡阻、沖擊等造成的檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差，需取連續(xù)6 s 時(shí)間以?xún)?nèi)的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)應(yīng)變變化率未超過(guò)設(shè)定閾值（一般可取10%）時(shí)，說(shuō)明鏈牽引系統(tǒng)無(wú)故障，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入下一循環(huán)繼續(xù)檢測(cè)；但是，當(dāng)兩項(xiàng)應(yīng)變變化率均超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，說(shuō)明鏈牽引系統(tǒng)發(fā)生故障，需發(fā)出停機(jī)檢修信號(hào)。隨后，軟件判斷故障發(fā)生時(shí)應(yīng)變?yōu)樵龃蠡驕p小，當(dāng)應(yīng)變?yōu)樵龃髸r(shí)，說(shuō)明發(fā)生卡鏈故障，系統(tǒng)發(fā)出卡鏈故障報(bào)警信息；當(dāng)應(yīng)變?yōu)闇p小時(shí)，說(shuō)明發(fā)生斷鏈故障，系統(tǒng)發(fā)出斷鏈故障報(bào)警信息。

5 結(jié)語(yǔ)

重型刮板輸送機(jī)工作負(fù)荷大，工況條件惡劣，其鏈牽引裝置容易發(fā)生卡鏈、斷鏈等故障，維修不及時(shí)將造成周邊設(shè)備進(jìn)一步損壞，嚴(yán)重影響井下生產(chǎn)，為解決這一問(wèn)題，應(yīng)通過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)的受力工況和刮板鏈張力進(jìn)行研究，利用有限元軟件分析刮板鏈和鏈輪的受力特點(diǎn)，對(duì)刮板鏈變形檢測(cè)、鏈輪變形檢測(cè)、信號(hào)采集等故障檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測(cè)軟件流程。