刮板機(jī)鏈條張緊力自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的分析和發(fā)展趨勢(shì)

白海平

（山西臨縣華燁煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

1 對(duì)刮板機(jī)運(yùn)行過(guò)程中鏈條的故障分析

刮板機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中，鏈條張緊力會(huì)隨著負(fù)載以及運(yùn)輸時(shí)間的不同而不停變化，致使刮板鏈條的整段或者部分段張緊力與設(shè)計(jì)值有一定偏差。鏈條太松或是太緊都會(huì)影響刮板機(jī)正常工作。假如鏈條太松，會(huì)使機(jī)頭或者機(jī)尾鏈輪上的鏈條容易脫落，而且會(huì)在該地方造成鏈條的堆積，導(dǎo)致鏈輪受到?jīng)_撞，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)致使鏈條斷裂以及鏈條卡住。假如鏈條太緊，會(huì)造成鏈條和鏈輪以及中粗槽的摩擦變大，工作時(shí)阻力增大，不僅增大了刮板機(jī)功率消耗，而且也加快了相連機(jī)器的磨損。導(dǎo)致刮板機(jī)鏈條出現(xiàn)故障的主要原因有：

1）刮板機(jī)的材料質(zhì)量以及工藝沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，刮板機(jī)刮板、鏈條和接鏈環(huán)磨損嚴(yán)重。

2）刮板機(jī)運(yùn)輸時(shí)載荷在不斷的變化以及綜采面的長(zhǎng)短不一樣，刮板機(jī)在綜采面水平及豎直方向上的彎曲情況等。

3）礦井內(nèi)環(huán)境惡劣，井下的水具有腐蝕性，導(dǎo)致鏈環(huán)產(chǎn)生銹疤、脫皮降低了強(qiáng)度。

4）井下操作人員在操作過(guò)程中不按正規(guī)步驟操作，刮板機(jī)停止工作后緊鏈或是換鏈導(dǎo)致鏈環(huán)節(jié)距不相等一級(jí)螺栓松動(dòng)、斷裂和掉落等情況。

5）刮板機(jī)鏈條在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)受到鏈輪給的壓力，以及煤塊給的沖擊力，造成鏈條鏈輪的使用壽命減少，影響鏈條張緊度。

2 對(duì)刮板機(jī)鏈條預(yù)緊力的分析

根據(jù)刮板機(jī)鏈條張緊力的特點(diǎn)，刮板機(jī)上通常使用圓環(huán)鏈和鏈輪嚙合。在運(yùn)輸前對(duì)刮板機(jī)鏈條加一定的預(yù)緊力，用來(lái)防止鏈條受到的沖擊和振動(dòng)。因?yàn)椋绻A(yù)緊力過(guò)大，則會(huì)加大鏈條的摩擦力，從而加快鏈條與鏈輪的磨損，鏈環(huán)截距變小，導(dǎo)致其壽命減少。如果預(yù)緊力過(guò)小，則會(huì)造成鏈條的堆積，刮板機(jī)不能正常工作。所以，準(zhǔn)確的計(jì)算出預(yù)緊力的值是十分有必要的。

圖1 刮板機(jī)鏈條張緊力示意圖

如圖1為刮板機(jī)鏈條的簡(jiǎn)圖，圖中虛線代表鏈條停止運(yùn)行時(shí)的理想張緊力，實(shí)線代表鏈條運(yùn)行時(shí)的實(shí)際張緊力，S1、S2分別為額定載荷下機(jī)尾鏈輪鏈條嚙合點(diǎn)、分離點(diǎn)的張緊力，S3、S4分別為額定載荷下機(jī)頭鏈輪鏈條嚙合點(diǎn)、分離點(diǎn)的張緊力。

刮板機(jī)在工作的過(guò)程中，鏈條上各個(gè)鏈環(huán)間的張緊力成線性關(guān)系，由胡克定律得

式中：S（x）為鏈條某一點(diǎn)的張緊力；E為鏈條彈性模量；A1為鏈條橫截面積；2L為鏈條長(zhǎng)度。

根據(jù)逐點(diǎn)計(jì)對(duì)算法可得：

由此可得，刮板機(jī)鏈條在額定載荷下運(yùn)行時(shí)比靜止時(shí)伸長(zhǎng)了ΔL，而ΔL會(huì)直接影響鏈條的張緊力。然后在刮板機(jī)開(kāi)啟前或者是運(yùn)輸一段時(shí)間后通過(guò)緊鏈器給鏈條加上一個(gè)預(yù)緊力SY，用以消除ΔL對(duì)鏈條的影響，從而使得鏈條最小點(diǎn)的張緊力值大于零。

在刮板機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，假使對(duì)整個(gè)鏈條加大小不變的預(yù)緊力SY，在SY的作用下，長(zhǎng)為2L的鏈條停機(jī)時(shí)伸長(zhǎng)量為

為確保刮板機(jī)正常運(yùn)行，則需要使得ΔL1=ΔL，因此可得：

3 刮板機(jī)鏈條張力的監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)

3.1 通過(guò)對(duì)懸垂量的分析來(lái)監(jiān)測(cè)及控制鏈條張緊力

刮板機(jī)機(jī)頭鏈條的懸垂量能夠體現(xiàn)張緊力的大小，當(dāng)鏈條下垂，與中部槽水平面的距離比較近，此時(shí)的鏈條張緊力?。划?dāng)鏈條拉緊，與中部槽水平面的距離比較遠(yuǎn)，此時(shí)鏈條張緊力大。所以，通過(guò)檢查機(jī)頭松邊鏈條下垂還是拉緊可得出鏈條張緊力的大小。

圖2 懸垂量坐標(biāo)

圖2 是對(duì)鏈條懸垂量分析圖，其中點(diǎn)A和點(diǎn)B分別代表機(jī)頭鏈輪與過(guò)渡槽中板的接觸點(diǎn)和機(jī)頭鏈輪和鏈條的分離點(diǎn)，θ為直線AB和地面的夾角，弧AB為鏈條的懸垂線，畫(huà)直線MN，使其與直線AB平行且與弧AB相切于D點(diǎn)，然后以D點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系。

設(shè)D點(diǎn)處的鏈條張緊力大小是SD，方向是D點(diǎn)的切線方向，其中SD的方向與x軸正方向的夾角是θ，水平方向上與D點(diǎn)相距x處的張緊力，如下：

式中：q為每米鏈條的質(zhì)量；s為鏈條的長(zhǎng)度。

當(dāng)x=0，y=0時(shí)算出懸垂線的方程式：

因此可得直線AB的方程式：

通過(guò)上面的兩個(gè)方程式可得到鏈條的懸垂量：

通過(guò)式（9）可得，鏈條張緊力與懸垂量成反比。當(dāng)測(cè)出懸垂量最大點(diǎn)的值時(shí)，可算出張緊力的值，因此必須先測(cè)定懸垂量的最大點(diǎn)的值。對(duì)式（9）求導(dǎo)，并且求導(dǎo)后等于0，可得：

通過(guò)式（11）可得：鏈條張緊力與懸垂量成反比，D點(diǎn)是懸垂量的最大值，因此，檢測(cè)機(jī)頭下面的鏈條的懸垂量可精準(zhǔn)的算得張緊力值。

此方法較為簡(jiǎn)單，但因工作場(chǎng)所的限制，傳感器的安裝的位置不理想，造成測(cè)量結(jié)果不精準(zhǔn)。還有因載荷分布不均勻?qū)е抡麄€(gè)鏈條的受力不均勻，造成測(cè)出的鏈條懸垂量值，不能夠很快體現(xiàn)張緊力的實(shí)際值。

3.2 通過(guò)微應(yīng)變來(lái)監(jiān)測(cè)及控制鏈條張緊力

此技術(shù)主要是由應(yīng)變片的形變來(lái)測(cè)得鏈條的張緊力。應(yīng)變片安裝于刮板連接處的鏈環(huán)上，并且在刮板中安裝有處理電路、電源和無(wú)線收發(fā)模塊，如圖3所示。

制造應(yīng)變片的材料通常采用半導(dǎo)體或者是金屬導(dǎo)體，通過(guò)式（12）可得，當(dāng)給應(yīng)變片施加一定的力時(shí)，其長(zhǎng)度也會(huì)發(fā)生變化。

當(dāng)x=0時(shí)，f取最大值：

圖3 張力應(yīng)變片安裝

式中：l為應(yīng)變片的長(zhǎng)度；ρ為應(yīng)變片的電阻率；A3為應(yīng)變片的橫截面積。

所以，可由應(yīng)變片電阻值的變化來(lái)獲得鏈條所受張緊力的變化。通過(guò)式（13）可得到應(yīng)變片所受的張緊力。

式中：E2為應(yīng)變片的彈性模量；R0為應(yīng)變片的電阻值；k0為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；ΔR為電阻變化值。

此技術(shù)是在鏈環(huán)上安裝上傳感器，用于檢測(cè)鏈條的形變，當(dāng)鏈條出現(xiàn)形變時(shí)即可測(cè)量得到此處的鏈條張緊力值。但是當(dāng)傳感器安裝的位置不對(duì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳感器的磨損或直接壞掉，使得所測(cè)出的精準(zhǔn)度不高。

3.3 通過(guò)滑?？刂苼?lái)監(jiān)測(cè)及控制鏈條張緊力

此技術(shù)是通過(guò)對(duì)當(dāng)前鏈條進(jìn)行受力分析，然后強(qiáng)行讓鏈條張緊力按預(yù)先規(guī)定好的滑模軌跡變化。

圖4 刮板機(jī)鏈條張緊力的自動(dòng)監(jiān)控原理

如圖4為刮板機(jī)鏈條張緊力的自動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制原理圖，VD是刮板機(jī)鏈輪轉(zhuǎn)速。SA、SB是系統(tǒng)傳感器所測(cè)的實(shí)際張緊力值，經(jīng)由信號(hào)分析及處理模塊進(jìn)行分析處理，通過(guò)信號(hào)比較器I對(duì)SA、SB與預(yù)期值進(jìn)行對(duì)比，將對(duì)比出偏差值ΔSA、ΔSB,然后通過(guò)信號(hào)比較器II對(duì)ΔSA和ΔSB分別與所允許的誤差值ΔS進(jìn)行比較，看是否超過(guò)所允許誤差值，并且接收到激發(fā)信號(hào)eA和eB，然后由控制器來(lái)控制刮板機(jī)機(jī)尾部液壓油缸A、B伸長(zhǎng)或是縮短XA、XB，以此對(duì)鏈條的松緊進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

此技術(shù)的不足之處是：?jiǎn)?dòng)階段不能對(duì)鏈條張緊力進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，主要應(yīng)用在勻速運(yùn)輸階段。因?yàn)楣伟鍣C(jī)啟動(dòng)時(shí)段的電動(dòng)機(jī)在不斷變化，刮板機(jī)鏈條振動(dòng)較為明顯，所以不能夠精準(zhǔn)的對(duì)鏈條張緊力進(jìn)行監(jiān)控。

3.4 通過(guò)電流法來(lái)監(jiān)測(cè)及控制鏈條張緊力

當(dāng)刮板機(jī)鏈條張緊力出現(xiàn)變化時(shí)，隨之鏈條的結(jié)構(gòu)參數(shù)、剛度以及傳動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率都出現(xiàn)不同程度的變化，會(huì)直接影響到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率及副值。因?yàn)榕まD(zhuǎn)振動(dòng)的傳遞性較強(qiáng)，可由軸系傳遞給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一側(cè)，所以，此監(jiān)控技術(shù)的原理是由監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子電流信號(hào)中的故障頻率，以此來(lái)對(duì)鏈條的張緊力進(jìn)行監(jiān)控。

此技術(shù)是在電纜線上安裝傳感器，與被測(cè)機(jī)器不直接接觸，能夠保護(hù)住傳感器不受損害。但傳動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)減速器，就會(huì)有其他信號(hào)摻雜進(jìn)去，使得不能準(zhǔn)確區(qū)分出導(dǎo)致電流變化的具體原因是鏈條張緊力還是其他。

4 目前監(jiān)控鏈條張緊力中存在的不足及以后的發(fā)展趨勢(shì)

刮板機(jī)鏈條張緊力監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)，不但減少工作人員的勞動(dòng)時(shí)間，而且提高了出煤效率，為以后刮板機(jī)張緊力監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展做了鋪墊。但是還需要進(jìn)一步的進(jìn)行研究，其中通過(guò)對(duì)懸垂量的分析來(lái)監(jiān)測(cè)及控制鏈條張緊力的位置比較單一，其監(jiān)測(cè)到的張力可作為對(duì)其他監(jiān)控技術(shù)的參考；通過(guò)微應(yīng)變來(lái)監(jiān)測(cè)及控制鏈條張緊力時(shí)經(jīng)過(guò)減速器，會(huì)摻雜其他信號(hào)，不能準(zhǔn)確判斷出張緊力，如果能夠與其他信號(hào)分離出，此技術(shù)就會(huì)很好；通過(guò)滑?？刂苼?lái)監(jiān)測(cè)及控制鏈條張緊力主要在勻速運(yùn)行情況下適用，在啟動(dòng)情況下監(jiān)控不準(zhǔn)確；通過(guò)電流法來(lái)監(jiān)測(cè)及控制鏈條張緊力可以直接監(jiān)測(cè)出張緊力，此技術(shù)會(huì)成為以后的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

刮板機(jī)鏈條的張緊力是變化的，鏈條太緊和太松都會(huì)影響生產(chǎn)效率，所以，對(duì)鏈條張緊力的監(jiān)測(cè)就變得十分有意義。此文是對(duì)刮板機(jī)鏈條的常見(jiàn)故障進(jìn)行了分析，對(duì)張緊力的計(jì)算進(jìn)行了闡述，羅列了目前鏈條的監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析了優(yōu)點(diǎn)和不足，并且對(duì)鏈條的張緊力監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)做了展望。