刮板輸送機斷鏈事故分析及斷鏈保護裝置研究

趙利鋒

(山西焦煤汾西礦業(yè) 兩渡煤業(yè)公司，山西 靈石 031302)

刮板輸送機一般布置在煤礦井下的采煤工作面、綜掘工作面等位置[1-2]，若刮板輸送機出現(xiàn)故障會導致生產(chǎn)停滯[3]。在生產(chǎn)過程中，刮板鏈斷鏈、掉鏈是最為常見的故障類型。當刮板鏈斷鏈時，在下鏈的牽引力作用下，斷鏈會在槽底或機頭等位置堆積，增加刮板鏈鏈輪載荷[4]，若不能及時發(fā)現(xiàn)故障，會造成斷鏈位置處間距增加、鏈條堆積，需要耗費大量的人力、時間完成接鏈、拖鏈工作，嚴重時還會給刮板輸送機造成嚴重損壞，縮短設備使用壽命。

1 刮板輸送機斷鏈原因分析

1.1 斷裂類型

1) 強力斷鏈。強力斷鏈經(jīng)常出現(xiàn)在鏈環(huán)彎曲部分、焊縫影響區(qū)以及焊接對口位置，當刮板鏈受到的沖擊力大于刮板鏈自身破斷載荷時，即會出現(xiàn)強力斷鏈故障，斷口呈現(xiàn)脆性斷裂形式。

2) 疲勞斷裂。雖然刮板鏈受到的作用力小于其破斷載荷，但刮板鏈長時間受到脈沖載荷作用，會出現(xiàn)疲勞破壞。斷口多發(fā)生在直線部分連接位置以及鏈環(huán)彎曲位置。

3) 混合斷裂。刮板鏈在沖擊力以及脈沖載荷長時間、共同作用下出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，在斷口位置有明顯的塑形變形區(qū)且斷裂口位置凹凸不平。具體刮板鏈斷裂發(fā)生位置見圖1。

圖1 刮板鏈破斷位置示意

1.2 斷裂原因

煤、矸石等物料通過機頭齒輪轉動帶動刮板鏈、刮板、從動輪運轉從而實現(xiàn)槽體內物料運輸。在井下使用過程中刮板鏈斷鏈主要原因有：

1) 刮板輸送機鋪設彎度過大。刮板輸送機鋪設位置有一定彎度時，具體刮板鏈分布形式見圖2。從圖中看出，在彎曲弧度影響下，刮板鏈外側較內側長，刮板鏈受到載荷集中在外側刮板鏈上，從而容易導致外側刮板鏈斷鏈。

圖2 刮板輸送機彎曲鋪設刮板鏈分布形式

2) 鏈環(huán)缺少連接螺栓。當連接螺栓松動、丟失時，鏈環(huán)受力狀態(tài)由弧形靜不定量轉變成一側受力的懸臂梁，具體圓環(huán)受力情況見圖3。連接環(huán)需要承受拉應力、彎曲應力疊加作用，在鏈環(huán)上危險截面上受力可通過下式計算。

圖3 圓環(huán)受力示意

式中：Q為鏈環(huán)受到的拉應力，kN；F為鏈環(huán)危險截面(I位置)斷面積，cm2；M為鏈環(huán)危險截面受到的彎矩，N·m；W為連接環(huán)在危險截面(I位置)斷面系數(shù)，cm3。

以SWG-40T刮板輸送機為例，該刮板輸送機電動機功率為40 kW、轉速為1 470 r/min、傳動系數(shù)為0.85。當鏈環(huán)缺少螺栓連接時，采用上述公式對鏈環(huán)受力進行分析，其中：Q=44.4 kN、M=666 N·m、W=63.673 cm3、F=2.838 cm2。經(jīng)計算求得? =16 691 N/cm2，鏈環(huán)破斷載荷為8 000 N/cm2，因此當無連接螺栓時鏈環(huán)更容易斷裂。

3) 刮板鏈跳鏈。跳鏈是指刮板鏈環(huán)從刮板輸送機機頭鏈輪上脫落。跳鏈故障發(fā)生后刮板鏈環(huán)會在鏈輪齒、機頭軸上產(chǎn)生額外的沖擊力，容易引起刮板鏈斷裂。常見的跳鏈故障處理方式是在機頭輪齒處增加墊板。

4) 鏈環(huán)銹蝕。在煤礦井下含有強腐蝕性氣體以及液體，刮板輸送機刮板鏈本身防護性較差，當與腐蝕性物質接觸時會造成鏈環(huán)銹蝕、脫皮問題，不僅減小鏈環(huán)強度，而且增加斷鏈概率。

5) 動載荷。刮板輸送機正常運行過程中刮板鏈受到的作用力呈周期性變化，機頭位置受到大塊矸石、煤炭沖擊作用明顯，從而導致刮板鏈長期受到動載荷以及疲勞應力影響。在實際生產(chǎn)過程中，動載荷具有突發(fā)性特點，會給刮板鏈較大的沖擊，從而引發(fā)刮板鏈斷裂；在疲勞應力作用下刮板鏈會出現(xiàn)較大變形，也會導致刮板鏈斷裂。

6) 強沖擊力。在刮板輸送機運行過程中，刮板鏈對口焊接位置、鏈環(huán)彎曲位置以及焊縫熱影響區(qū)內會受到刮板鏈運行時以及運輸物料的強沖擊作用，當沖擊力超過刮板鏈自身靜態(tài)破斷載荷時，便會出現(xiàn)刮板鏈斷裂事故。

2 刮板鏈斷鏈保護裝置設計

現(xiàn)階段最常用的刮板輸送機斷鏈保護裝置與帶式輸送機膠帶斷裂保護裝置類似，即在機尾從動輪位置布置接近開關，通過實時檢測從動輪運行情況判定刮板鏈是否出現(xiàn)斷鏈事故[6-7]。當刮板鏈斷鏈后，從動輪由于失去動力會失速，保護裝置會發(fā)出故障指令停止刮板輸送機運轉。上述安全保護裝置對刮板鏈兩條鏈同時斷鏈時的惡性事故起到保護作用，但無法對刮板鏈單側斷鏈、錯鏈以及掉道等故障進行預警保護。

鑒于刮板輸送機斷鏈保護裝置存在功能不足的問題，筆者在對井下使用的多臺帶式輸送機刮板鏈在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷鏈故障分析的基礎上，除制定常規(guī)的管理、防銹措施之外，對刮板鏈斷鏈瞬間運行狀態(tài)進行分析，設計了一種刮板輸送機斷鏈保護裝置，該保護裝置可實現(xiàn)對刮板輸送機斷鏈事故的有效檢測，在發(fā)現(xiàn)刮板鏈斷鏈瞬間即可發(fā)出安全預警信息，便于現(xiàn)場人員及時處理[8]。

2.1 裝置結構

刮板鏈斷鏈檢測裝置結構見圖4。其中弧形檢測片厚度為1.5～2.0 mm、材質為鐵質導磁材料，鄰近的兩個檢測片間距為2.0～3.0 mm。采用的接近開關測量范圍為15 mm。擺桿寬度、長度等由刮板輸送機寬度、安裝高度確定。檢測裝置采用軸承裝備，并固定于刮板機機頭過渡板后約300～350 mm位置。

圖4 刮板鏈斷鏈檢測裝置結構

2.2 工作原理

刮板輸送機正常運行時，檢測裝置兩側擺桿隨著鏈條、刮刀同步擺動，并帶動兩個檢測片繞著軸承往返運動。通過調整弧形檢測片寬度，使得檢測片擺幅最大時接近開關檢測范圍之外，即擺幅最大在15 mm以上，確保檢測信號在1個檢測周期內(耗時約1.5 s)存在明顯斷點。當刮板輸送機出現(xiàn)單側斷鏈或者錯鏈時，刮板輸送機刮刀兩側出現(xiàn)一定傾斜后兩側擺桿不能同步轉動，且隨著刮板傾斜度增加，兩側擺桿間夾角加大，檢測片間相對位移也逐漸增加。當相對位移超過接近開關檢測范圍后，在檢測周期內即會出現(xiàn)檢測信號斷點，當持續(xù)時間超過3 s時即認為刮板輸送機出現(xiàn)斷鏈事故，檢測裝置會報警并切斷刮板輸送機供電回路，從而實現(xiàn)刮板輸送機斷鏈檢測，避免斷鏈事故擴大。

保護裝置結構包括接近開關、中間繼電器以及延時繼電器等構成微型監(jiān)控保護系統(tǒng)，依靠組態(tài)輸出預警及保護信號。通過安全聯(lián)鎖、延時保護可降低保護裝置誤動作概率，延時時間可根據(jù)刮板輸送機運行速度確定，文中取值為3 s。在檢測過程中測點會受到振動等影響輕微抖動，時間一般在1 s以內，不會觸發(fā)保護系統(tǒng)動作。

2.3 應用效果

結合某礦井下布置的6臺刮板輸送機應用情況，單臺刮板輸送機月均斷鏈3次，每次影響生產(chǎn)時間約為2 h，全年影響生產(chǎn)時間約為72 h，相當于每年有3 d生產(chǎn)由于刮板輸送機斷鏈事故被迫中斷。

采用刮板輸送機斷鏈保護裝置后，可及時發(fā)現(xiàn)刮板輸送機斷鏈，預計單臺刮板輸送機每年可節(jié)省設備維護費用約6萬元，6臺刮板輸送機斷鏈保護裝置材料、加工費用共計約1.3萬元，年可減少生產(chǎn)投入約34.7萬元。由此可見，斷鏈保護裝置可以提高井下刮板輸送機運行保障能力，而且經(jīng)濟效益顯著。

3 結 語

斷鏈是刮板輸送機使用過程中常見事故類型，文中提出的刮板輸送機斷鏈保護裝置結構簡單，在后續(xù)使用過程中無需單獨進行保養(yǎng)、維護，且礦井自己可加工制作，單臺設備成本僅為2 200元，進行現(xiàn)場實踐后取得了顯著的應用成果。