刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)故障診斷研究

李 斌

（潞安化工集團(tuán)漳村煤礦，山西 長治 046032）

引言

刮板輸送機(jī)是煤炭企業(yè)生產(chǎn)的重要運(yùn)輸設(shè)備，對企業(yè)科學(xué)高效發(fā)展至關(guān)重要。鏈傳動(dòng)系統(tǒng)作為刮板輸送機(jī)物料運(yùn)輸過程中的主要承載與牽引系統(tǒng)，對刮板輸送機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行、煤炭企業(yè)安全高效生產(chǎn)影響重大[1-2]。隨著我國自動(dòng)化、智能化技術(shù)的不斷提升，刮板輸送機(jī)也逐步得以完善，自動(dòng)化與智能化水平的提高使得刮板輸送機(jī)故障發(fā)生的概率也逐步增加，加之系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜，針對刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷研究意義重大[3]。本文運(yùn)用中部槽振動(dòng)分析的方法進(jìn)行刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷研究，以期保障刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 刮板輸送機(jī)及其鏈傳動(dòng)系統(tǒng)分析

刮板輸送機(jī)是煤炭企業(yè)開采的重要綜采設(shè)備，除進(jìn)行煤炭以及矸石運(yùn)輸外，還可對采煤機(jī)產(chǎn)生支撐以及導(dǎo)向作用，同時(shí)還可向液壓支架提供支點(diǎn)。刮板輸送機(jī)種類較多，本文主要以雙鏈刮板輸送機(jī)為主要研究對象，該類刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。雙鏈刮板輸送機(jī)主要分為機(jī)頭、機(jī)身以及機(jī)尾三部分。其中，機(jī)頭部分主要包括傳動(dòng)裝置、動(dòng)力平衡裝置、動(dòng)力垂直裝置、鵝頸槽以及整體機(jī)架；機(jī)身部分主要由鏈傳動(dòng)部件以及中部槽構(gòu)成；機(jī)尾部分主要由傳動(dòng)裝置、動(dòng)力裝置、機(jī)架、油缸以及各類組件構(gòu)成[4-5]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，刮板輸送機(jī)的故障中有70%以上故障是由于刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)故障造成的。常見的刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)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(fā)生表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)卡頓、刮板鏈繃直不動(dòng)；刮板鏈斷裂主要是故障處刮板鏈斷開，未保持連接狀態(tài)。產(chǎn)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(dòng)系統(tǒng)故障的發(fā)生往往伴隨著中部槽振動(dòng)特性的變化，因此本文基于對鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中部槽振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測對鏈傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷分析。

圖1 雙鏈刮板輸送機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖

2 刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)故障診斷研究

2.1 振動(dòng)模態(tài)分析

針對鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中部槽的振動(dòng)模態(tài)分析本文采用有限元的方法進(jìn)行分析。有限元分析法是將中部槽模擬成為由多個(gè)離散體組成，且由多個(gè)節(jié)點(diǎn)連接成的模型，然后對模型中的各單元進(jìn)行插值以及微分計(jì)算，再運(yùn)用加權(quán)余量法以及變分法即可得出中部槽的振動(dòng)特性。振動(dòng)模態(tài)分析的具體步驟圖如圖2所示。

初步確定進(jìn)行中部槽實(shí)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(shè)置應(yīng)為裝配體；前處理主要包括模型建立、材料選擇以及網(wǎng)格建立三部分，本文主要以重型刮板輸送機(jī)為研究對象，運(yùn)用Creo 2.0軟件進(jìn)行三維建模，材料密度設(shè)定為7 866 kg/m3，彈性模量設(shè)定為230 GPa，泊松比設(shè)置為0.3。建立的模型中單元數(shù)量共有773 782個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量共有1 117 993個(gè)；求解主要是對邊界條件、載荷以及模型所需數(shù)據(jù)進(jìn)行求解。其中，刮板與刮板鏈橫鏈的約束應(yīng)設(shè)置為固定型，其他部件間的約束應(yīng)設(shè)置為接觸型；后處理主要是對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，求出中部槽振動(dòng)模態(tài)的固有頻率。按上述步驟進(jìn)行模擬分析，可得相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，振動(dòng)模態(tài)數(shù)據(jù)仿真誤差較小，可反映中部槽的振動(dòng)特性。

圖2 振動(dòng)模態(tài)分析步驟示意圖

表1 振動(dòng)模態(tài)分析相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 動(dòng)態(tài)傳輸模型建立

動(dòng)態(tài)傳輸模型的建立主要包括三個(gè)步驟，第一步是進(jìn)行中部槽模型的基本參數(shù)設(shè)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(shè)置長度為305 m，截面積設(shè)置為0.67 m2，鏈條速度設(shè)置為0～2 m/s，質(zhì)量設(shè)置為190 kg/m，傾斜角度為1°；第二步為運(yùn)用Creo 2.0軟件進(jìn)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(shí)間步設(shè)置為0.001 s，通過改變中部槽的不同狀態(tài)進(jìn)行振動(dòng)特性分析。按上述方法進(jìn)行模型建立，其傳輸系統(tǒng)三維示意圖如圖3所示。其中，V為鏈條運(yùn)行速度，m/s；F為張緊力，N。

圖3 中部槽動(dòng)態(tài)傳輸模型示意圖

2.3 振動(dòng)信號(hào)分析

中部槽振動(dòng)信號(hào)的分析首先應(yīng)進(jìn)行正常運(yùn)行工況設(shè)置。本文設(shè)置鏈傳動(dòng)系統(tǒng)在0～0.5 s內(nèi)屬于均勻加速狀態(tài)，由靜止加速至1 m/s并進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，保持勻速運(yùn)動(dòng)到5.5 s后系統(tǒng)開始進(jìn)行減速，直至運(yùn)行至系統(tǒng)停止。正常運(yùn)行狀態(tài)下中部槽的振動(dòng)信號(hào)如圖4-1所示。由圖4-1可知，正常運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)信號(hào)在加速與減速階段未呈現(xiàn)出規(guī)律，在進(jìn)入均加速狀態(tài)后，中部槽的振動(dòng)信號(hào)可看作時(shí)間間隔相同的多段信號(hào)，間隔可假設(shè)為ΔT，則ΔT時(shí)間段內(nèi)鏈條運(yùn)行的長度為L。

刮板鏈卡頓故障的振動(dòng)信號(hào)如圖4-2所示。刮板鏈卡頓故障其實(shí)際過程就是在刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行過程中出現(xiàn)了刮板鏈速度瞬間降低為0的過程，其余時(shí)間刮板輸送機(jī)運(yùn)行正常。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生卡頓現(xiàn)象后，速度變?yōu)?，鏈條各部件會(huì)張緊，鏈條停止運(yùn)動(dòng)，卡頓現(xiàn)象過后，速度會(huì)恢復(fù)為1 m/s，繼續(xù)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。由圖4-2可知，當(dāng)刮板鏈卡頓故障發(fā)生后，故障振動(dòng)信號(hào)的顯示會(huì)有0.5 s左右的延遲，這是因?yàn)橹胁坎叟c其他部件主要通過摩擦力相互作用，當(dāng)故障發(fā)生后，摩擦力作用刮板鏈張緊會(huì)有一定的延遲，因此振動(dòng)信號(hào)也會(huì)有0.5 s左右的延遲作用。刮板鏈斷裂故障的振動(dòng)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(tài)下加速度變化明顯，可顯著判斷出故障狀態(tài)。由圖4-2與圖4-3進(jìn)行對比可知，刮板輸送機(jī)發(fā)生刮板鏈卡頓故障與刮板鏈斷裂故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)狀態(tài)較為相似，較難判斷，因此本文提出了運(yùn)用自適應(yīng)最優(yōu)核時(shí)頻分布的方法進(jìn)行故障判斷。

圖4 不同狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)示意圖

2.4 振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻表示分析

對刮板輸送機(jī)進(jìn)行時(shí)頻特性分析，可得振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻表示圖如圖5所示。圖5中的明亮地帶表示高能量區(qū)域，對比圖5-1與圖5-2可發(fā)現(xiàn)，刮板鏈斷裂的高能量區(qū)域與卡頓故障區(qū)別明顯。斷裂故障存在兩個(gè)高能量區(qū)域且頻率范圍高于卡頓故障。

圖5 振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻表示圖

3 結(jié)論

作為煤炭企業(yè)井下運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，刮板運(yùn)輸機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行對企業(yè)高效生產(chǎn)至關(guān)重要。通過分析可知，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)故障為刮板運(yùn)輸機(jī)故障的主要部分。對此，本文運(yùn)用了中部槽振動(dòng)分析的方法進(jìn)行鏈傳動(dòng)故障診斷分析，通過分析研究得出了以下結(jié)論：

1）刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)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(yùn)用振動(dòng)信號(hào)分析的方法可較好地區(qū)分出刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)還是故障狀態(tài)，但無法判斷具體故障類型；運(yùn)用振動(dòng)信號(hào)時(shí)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(jìn)行測試研究后發(fā)現(xiàn)，該診斷方法判斷準(zhǔn)確，400組振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)診斷準(zhǔn)確率為100%，符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。