刮板運輸機斷鏈保護裝置設(shè)計應(yīng)用

任曉峰

（山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西 保德 036600）

刮板運輸機主要用于煤礦井下采煤工作面和掘進工作面，擔(dān)負著工作面煤矸運輸工作，當刮板運輸機發(fā)生故障時將會導(dǎo)致工作面停產(chǎn)[1-2]。當刮板運輸機在運行過程中發(fā)生斷鏈事故時，斷鏈在電機牽引力帶動下將會在刮板運輸機機頭、機尾或底槽內(nèi)堆積，從而增加了機頭機尾鏈輪載荷，若不能及時發(fā)現(xiàn)故障停機處理，斷鏈位置處將會槽體間距增大、鏈條堆積交纏，處理斷鏈時將會投入大量的人力和耗費較長時間，情況嚴重時還會損壞刮板運輸機電機、減速器、分鏈器、鏈輪等設(shè)備，縮短刮板運輸機上各設(shè)備的使用壽命。

1 刮板運輸機常見斷鏈原因分析

1.1 斷鏈類型

（1）強力破壞斷裂

當刮板運輸機在運行過程中刮板鏈鏈環(huán)受到的沖擊載荷大于其自身的破斷載荷時[3-4]，刮板鏈鏈環(huán)將會發(fā)生斷裂，從而造成斷鏈事故，此時鏈環(huán)斷裂處的斷口呈現(xiàn)出的是脆性斷裂形式，刮板鏈出現(xiàn)強力斷裂時多發(fā)生在鏈環(huán)彎曲部位、焊接對口位置和焊縫影響部位。

（2）疲勞破壞斷裂

刮板鏈在使用過程中頻繁受到脈沖載荷作用，雖脈沖載荷作用力小于鏈環(huán)的破斷載荷力，但因鏈環(huán)長時間受力作用出現(xiàn)磨損，在運行過程中易發(fā)生疲勞破壞斷裂。疲勞斷裂斷口多出現(xiàn)在鏈環(huán)直線段連接部位和鏈環(huán)彎曲部位。

（3）混合破壞斷裂

刮板鏈因長時間在脈沖載荷和沖擊力共同作用下發(fā)生破壞斷裂現(xiàn)象[5]。破壞斷裂位置處有明顯的塑性變形區(qū)，同時斷口處呈現(xiàn)凸凹不平。刮板鏈已發(fā)生斷裂位置如圖1。

圖1 刮板鏈易斷裂位置示意圖

1.2 斷鏈原因分析

對井下刮板運輸機斷鏈事故進行分析統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，刮板運輸機在運行過程中造成斷鏈的原因[6-7]主要有：

（1）刮板運輸機彎曲弧度大、直線性差。刮板運輸機在安裝和使用過程中，由于受巷道變向形成一定彎曲弧度，因工程質(zhì)量造成工作面煤壁未割直或推溜不到位時造成刮板運輸機整體形成一定的彎曲弧度，此時刮板鏈的布置狀態(tài)如圖2。由圖2中可以看出，當刮板運輸機呈彎曲形狀鋪設(shè)時，刮板鏈的外側(cè)鏈條呈張緊狀態(tài)，長度比內(nèi)側(cè)鏈條長，刮板運輸機在此狀態(tài)下運行時，外側(cè)鏈條受到的載荷力比內(nèi)側(cè)大，里外側(cè)鏈條受力不均勻，外側(cè)鏈條由于受力大容易造成斷鏈。

圖2 刮板運輸機彎曲情況下刮板鏈布置狀態(tài)

（2）鏈環(huán)連接螺栓不齊全或不完整。在刮板運輸機運行過程中，由于受沖擊力作用，鏈環(huán)連接螺栓容易松動、破損或丟失，此時會造成鏈環(huán)受力狀態(tài)由原來的弧形靜定量狀態(tài)變成一側(cè)受力的懸臂梁狀態(tài)，鏈環(huán)受力情況如圖3。在此種情況下鏈環(huán)要受到拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力共同疊加作用，鏈環(huán)易破斷處截面上受力大小可用公式（1）進行計算：

圖3 鏈環(huán)受力狀態(tài)示意圖

式中：?為鏈環(huán)截面上受到的作用力，kN；Q為作用在鏈環(huán)上的拉應(yīng)力，kN；F為鏈環(huán)易破斷處（I處）截面積，cm2；M為鏈環(huán)易破斷處彎矩，N·m；W為鏈環(huán)易破斷處（I處）斷面系數(shù)，cm3。

隆安煤業(yè)工作面使用的SGB420/40×2型刮板運輸機電機功率為40 kW，當刮板運輸機鏈環(huán)連接螺栓缺失后，利用公式（1）對鏈環(huán)受力情況進行計算分析，其中：Q=40 kN，M=628 N·m，W=64.622 cm3，F(xiàn)=2.968 cm2，可得?=14 449 N/cm2。刮板鏈環(huán)的破斷載荷為8500 N/cm2，由此可知當鏈環(huán)螺栓缺失后鏈環(huán)受到的作用力遠遠大于其破斷載荷，因此更容易發(fā)生斷鏈。

（3）刮板運輸機跳鏈。跳鏈是指刮板運輸機在運行過程中鏈條從刮板運輸機機頭或機尾鏈輪齒牙上脫落。當刮板鏈跳鏈后鏈環(huán)與鏈輪之間會產(chǎn)生較大的沖擊力，從而造成鏈環(huán)斷裂。

（4）鏈條銹蝕。工作面存在的氣體和液體具有一定的腐蝕性，因刮板鏈本身防腐蝕性較差，當其長時間在該環(huán)境中暴露后容易出現(xiàn)生銹腐蝕，從而降低了鏈環(huán)的強度，增加了斷鏈的幾率。

（5）沖擊力破壞。刮板運輸機因擔(dān)負著工作面煤矸運輸工作，在生產(chǎn)過程中，工作面割出來的煤矸直接落入刮板鏈上，煤矸落下后形成的動載荷給刮板鏈造成沖擊作用，特別是大塊的煤矸對其造成的破壞性更大，刮板鏈長時間承受煤矸的動力載荷作用會產(chǎn)生磨損或變形，從而容易發(fā)生斷鏈故障。

（6）操作不當。刮板運輸機在運輸物料過程中，當落入刮板運輸機內(nèi)的煤矸量過大，負荷較重時，若刮板運輸機司機不及時停機清理煤矸強行開啟時，刮板鏈在電機牽引力作用下承受的拉應(yīng)力大于其破斷載荷時也容易發(fā)生斷鏈故障。

2 刮板運輸機斷鏈保護裝置設(shè)計

針對上述常用刮板運輸機斷鏈保護裝置存在不足之處，對井下多起刮板運輸機運行過程中發(fā)生斷鏈故障原因進行總結(jié)分析，設(shè)計制造一種新型刮板運輸機斷鏈保護裝置。該斷鏈保護裝置能夠?qū)伟彐湐噫湽收线M行實時有效檢測，刮板鏈發(fā)生斷鏈事故瞬間就能夠發(fā)出報警信號并停止刮板運輸機運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了對刮板運輸機斷鏈的實時保護作用。

2.1 斷鏈保護裝置基本結(jié)構(gòu)

刮板運輸機斷鏈保護裝置主要由弧形檢測片、接近開關(guān)和擺桿等組成，如圖4?；⌒螜z測片采用鐵質(zhì)導(dǎo)磁材料加工而成，設(shè)計厚度為2～2.5 mm，與其相鄰的兩個檢測片之間的間距約為2.5～3.5 mm。設(shè)計安裝的接近開關(guān)檢測區(qū)間范圍為20 mm。擺桿的長度和寬度是依據(jù)刮板運輸機的寬度和安裝高度進行確定。保護裝置利用軸承裝備而成，安裝在刮板運輸機機頭過渡板向后約400 mm位置。

圖4 斷鏈保護裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

刮板運輸機在正常運行過程中，斷鏈保護裝置兩側(cè)的擺桿隨著刮板運輸機兩側(cè)鏈條和刮刀同步運行擺動，擺桿帶動兩個檢測片圍繞軸承進行來回往返運動。通過弧形檢測片之間的寬度，使其擺動幅度在最大時能夠到達接近開關(guān)檢測區(qū)間范圍以外，即最大擺動幅度超過20 mm，以此保證檢測信號能夠在1個檢測循環(huán)周期（約用時2 s）內(nèi)出現(xiàn)明顯的間隔斷點。當刮板運輸機一側(cè)刮板鏈發(fā)生斷鏈、掉鏈或錯鏈時，刮板運輸機刮板兩側(cè)將會發(fā)生一定傾斜，此時保護裝置兩側(cè)的擺桿將不會同步擺動，且隨著刮板傾斜角度的增大，保護裝置兩側(cè)的擺桿之間的夾角也會隨之增大，兩個檢測片之間的相對位移量也會隨之增加。當檢測片之間的相對位移量大于接近開關(guān)的檢測范圍時，接近開關(guān)檢測裝置在1個檢測周期內(nèi)就會發(fā)生檢測信號斷點，當檢測信號持續(xù)斷點時間超過3 s后即判定刮板鏈發(fā)生斷鏈故障，此時保護裝置將會發(fā)出報警信號并立即切斷刮板運輸機供電線路停止運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)刮板運輸機斷鏈保護功能，避免了斷鏈事故的進一步擴大。

斷鏈保護裝置中的監(jiān)控保護系統(tǒng)由接近開關(guān)、延時繼電器以及中間繼電器等組成，通過組態(tài)輸出報警信號和斷電保護信號，同時利用安全連鎖裝置和延時保護裝置可以減小保護裝置發(fā)生誤動作的概率。延時保護裝置的時間可以根據(jù)工作面刮板運輸機運行速度進行確定，延時時間設(shè)置為3 s。在保護裝置對刮板運輸機進行監(jiān)測時測點會受到刮板機的振動影響產(chǎn)生一定的輕微抖動，當抖動時間小于1 s時，不會觸動保護裝置產(chǎn)生保護動作。

3 應(yīng)用效果分析

結(jié)合隆安煤業(yè)井下安裝使用的刮板運輸機情況進行分析，該礦井下采掘工作面共計安裝8部刮板運輸機。據(jù)統(tǒng)計，單部刮板運輸機平均每月發(fā)生3次斷鏈事故，處理故障平均每次需用時2 h左右，單部刮板運輸機因處理斷鏈事故平均全年需要影響生產(chǎn)時間72 h，即每年有3 d時間因處理刮板運輸機斷鏈故障而被迫停止生產(chǎn)。

在工作面刮板運輸機上安裝斷鏈保護裝置后，能夠及時檢測出斷鏈故障，發(fā)出警報并停機，避免了事故的擴大化，降低處理斷鏈事故難度，一般在0.5 h內(nèi)就能處理完畢，減少生產(chǎn)誤時。同時，斷鏈保護裝置節(jié)約了設(shè)備維護費用，平均每部刮板運輸機每年預(yù)計可減少5萬元維修費用，而加工制造8臺刮板運輸機斷鏈保護裝置費用共計1.6萬元，采用斷鏈保護裝置以后，8部刮板運輸機每年可節(jié)約38.4萬元設(shè)備維修費用。