礦山刮板輸送機(jī)常見故障的分析與處理探討

王曉飛

（中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 張家口 076250）

0 引言

結(jié)合國家統(tǒng)計(jì)局公布的相關(guān)數(shù)據(jù)：截至2021 年，我國已完成3.8 億t 原煤開采任務(wù)，同比增長7.2%。隨著采煤量的提高，合理運(yùn)煤已成為工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展重心。作為工業(yè)專用輸送設(shè)備，刮板輸送機(jī)能夠在礦井作業(yè)中給予協(xié)助輸送服務(wù)。

1 礦山刮板輸送機(jī)常見故障

礦山刮板輸送機(jī)多見鏈條故障、電動(dòng)機(jī)故障以及減速器故障等。有41.5%輸送工作受鏈條斷裂故障影響。設(shè)備類型不同，鏈條故障發(fā)生頻率也有差異。對比LM500 型設(shè)備（美國生產(chǎn)）、80T 設(shè)備（國產(chǎn)）、MSD 型設(shè)備（日本生產(chǎn)）時(shí)，以原煤輸送量（H）為對比依據(jù)，三種刮板輸送機(jī)鏈條故障風(fēng)險(xiǎn)由低到高分別為國產(chǎn)（H＞1.5萬t）＞美國生產(chǎn)（H＞5 萬t）＞日本生產(chǎn)（H＞8 萬t）。通常以更換鏈條部件為主要措施，維修時(shí)間至少有3h，會直接導(dǎo)致400 萬t 原煤延期出產(chǎn)[1]；此外，跳鏈也是刮板輸送機(jī)鏈條故障類型之一。刮板輸送機(jī)作業(yè)強(qiáng)度較大，且需長時(shí)間保持運(yùn)行狀態(tài)，極易使刮板機(jī)鏈輪磨損，還會引發(fā)刮板缺失、變形等問題。存有故障隱患的設(shè)備應(yīng)用于礦山生產(chǎn)中，會出現(xiàn)鏈輪輪齒與鏈條咬合度不高或輪齒位置不對稱等問題，從而出現(xiàn)跳鏈現(xiàn)象；常源于機(jī)械損傷、電氣異常、受潮、過熱因素引發(fā)電動(dòng)機(jī)故障。在使用礦山刮板輸送機(jī)期間，若電動(dòng)機(jī)在設(shè)備運(yùn)行期間出現(xiàn)了電解液泄漏或是螺絲松動(dòng)、劣質(zhì)潤滑油、油量供應(yīng)不足等情況時(shí)，均會引起機(jī)械損傷。電氣異常引起的電動(dòng)機(jī)故障問題，也被稱為電機(jī)燒毀故障。多見于定子繞組短路、高低壓連接異常、絕緣層性能下降。電機(jī)設(shè)置的作用是將電能轉(zhuǎn)化為刮板輸送機(jī)運(yùn)行動(dòng)能，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，刮板輸送機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷會加重，電機(jī)在高負(fù)荷下長時(shí)間運(yùn)作會產(chǎn)生瞬間沖擊電流。這種瞬間沖擊電流會引發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞組弧光短路、砸圈短路等問題，最終導(dǎo)致電機(jī)燒毀；此外，從設(shè)備運(yùn)行聲音、觸感，亦可見到減速器故障。筆者在遇到設(shè)備故障問題時(shí)，聽到減速器內(nèi)部存在“砰砰”響聲，觸摸減速器發(fā)燙[2-3]；溜槽磨損。刮板輸送機(jī)運(yùn)作過程中，若存在刮板安裝不合理、物料超重、刮板與輸送機(jī)間隙過小、溜槽對接不合理、輸送機(jī)頻繁啟停等問題，均會增大溜槽破損、彎曲、變形等風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)溜槽磨損表現(xiàn)形式的不同，又可將溜槽磨損故障細(xì)分為四類即疲勞磨損、腐蝕磨損、黏著磨損以及磨料磨損?？墒褂媚猃埿滦蛷?fù)合材料制作溜槽，以此降低磨損系數(shù)與噪聲，規(guī)避溜槽磨損故障的發(fā)生。

2 礦山刮板輸送機(jī)故障處理實(shí)踐路徑

2.1 設(shè)計(jì)鏈條張力在線監(jiān)測方案

在切實(shí)處理礦山刮板輸送機(jī)鏈條故障時(shí)，通過匯總排障工作經(jīng)驗(yàn)，借鑒學(xué)者張行等人的研究成果，以有限元分析軟件達(dá)到在線監(jiān)測的目的[4]。

第一步，在對鏈條結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化改造時(shí)，應(yīng)當(dāng)先行確定監(jiān)測位置，對鏈條的五個(gè)孔位實(shí)施在線監(jiān)測；第二步，在確定監(jiān)測范圍后，需要安裝應(yīng)變傳感器，作為能夠采集張力數(shù)據(jù)的輔助設(shè)施，傳感器可以按照（圖1）所示的安裝步驟，完成安裝任務(wù)，其相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，從實(shí)際研究中總結(jié)得出：要求電阻值為120Ω，靈敏系數(shù)為2.1，且電阻值偏差在±0.5Ω 以內(nèi)。另外，在安裝期間，也要同步打孔作業(yè)，為應(yīng)變傳感器線路的連接創(chuàng)造便捷渠道。隨著張力數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集，能夠在數(shù)據(jù)傳輸中掌握鏈條動(dòng)態(tài)；第三步，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸功能時(shí)，還需要設(shè)計(jì)無線通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)可直接同傳感器連接。此系統(tǒng)可選用具備環(huán)保性的膨脹石墨鋰電池，以A/D 轉(zhuǎn)換模式為主，選用DH5908 采集器，而后按照數(shù)據(jù)采集→無線傳輸→無線AP→以太網(wǎng)傳輸→界面展示等順序依次提交張力監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外，于在線監(jiān)測方案設(shè)計(jì)期間，還可以利用有限元軟件，對鏈條張力變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，其中可以根據(jù)自動(dòng)網(wǎng)格劃分的形式，將實(shí)體鏈條轉(zhuǎn)化為虛擬網(wǎng)格，從中驗(yàn)證鏈條強(qiáng)度。經(jīng)過對相關(guān)數(shù)據(jù)的整合處理，刮板輸送機(jī)鏈條選用的是材質(zhì)密度7.85×10-6kg/mm3，0.25 泊松比，211GPa 彈性模量的鏈條，經(jīng)軟件分析后得出應(yīng)力值為803MPa，比原有材料強(qiáng)度極限值小367MPa，確定此鏈條尚未達(dá)到疲勞極限，依然可以在物料輸送中保持常態(tài)。

圖1 應(yīng)變傳感器安裝樣式

2.2 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)故障精細(xì)化檢修

電動(dòng)機(jī)故障在實(shí)際處理期間，根據(jù)市面上主要用于運(yùn)輸煤泥的ZXCZ300 型刮板輸送機(jī)檢修結(jié)果，該設(shè)備每小時(shí)能夠運(yùn)輸60t 煤泥，其功率為45kW（電動(dòng)機(jī)），電壓為380V。在常規(guī)輸送作業(yè)中，筆者在觀察此設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)存在異響，且該設(shè)備處于長期運(yùn)行狀態(tài)。處理電動(dòng)機(jī)故障時(shí)，檢修人員應(yīng)當(dāng)先行對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測溫操作，若出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，即可判定電動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行下存在散熱不達(dá)標(biāo)問題。精細(xì)化管理應(yīng)做好安全管理工作。

（1）檢修人員應(yīng)在確定屬于電動(dòng)機(jī)故障后，對電動(dòng)機(jī)連接的線路以及螺絲進(jìn)行細(xì)致檢查。待確定無誤后，即可對電動(dòng)機(jī)的完整度以及是否存在漏油情況實(shí)施全方位檢測。檢修人員可以通過測量軸瓦與軸頸間距，或是使用日本生產(chǎn)的RION 振動(dòng)測量儀確定振動(dòng)幅度，掌控電動(dòng)機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的達(dá)標(biāo)率。

（2）面對因潤滑油質(zhì)量問題引起的故障后果，應(yīng)從市場上選出性價(jià)比偏優(yōu)的潤滑油。從多類別潤滑油對比中，可推斷出適宜使用在刮板輸送機(jī)潤滑場景中的潤滑油，其凝點(diǎn)與外界環(huán)境溫度至少形成10℃溫差，且以抗乳化、抗腐蝕潤滑油為主，以免在復(fù)雜工況下，造成潤滑油潤滑性下降。

2.3 查明減速器故障起因加以修復(fù)

減速器故障在實(shí)際處理時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同故障原因確定修復(fù)方案。因減速器故障誘發(fā)原因復(fù)雜，故此在妥善處理該故障時(shí)，要求維修人員以故障起因細(xì)化處理計(jì)劃。

（1）在檢修工作中聽到異響，且異響來源于減速器，先行從齒輪咬和度上判定是否存在故障。根據(jù)聲音差異判定故障原因。即“連續(xù)砰砰聲”，摻雜著碰撞聲，代表齒輪磨損度較大。若為“規(guī)律性砰砰聲”，即為齒輪脫落。而發(fā)出“強(qiáng)烈且持續(xù)的響聲”，則考慮減速器軸承異常。此時(shí)，維修人員可以開啟減速器上蓋，查明聲音來源。

（2）排障中認(rèn)定屬于高油溫、漏油引起的減速器故障。維修人員應(yīng)在油標(biāo)尺輔助下測定機(jī)油余量，對于低油位減速器，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充機(jī)油。若肉眼觀察出現(xiàn)機(jī)油泄露，則逐一排查機(jī)頭等部分的密封性，給予密封膠予以填充加固處理。

（3）人為因素引起的故障，應(yīng)通過職業(yè)培訓(xùn)、業(yè)務(wù)指導(dǎo)等實(shí)踐活動(dòng)，提升維修人員、操作人員的職業(yè)技能，以權(quán)威資質(zhì)降低人為失誤率，以期在多項(xiàng)舉措指引下，有效應(yīng)對減速器故障風(fēng)險(xiǎn)，并做好事后修復(fù)工作。

2.4 建立離散元?jiǎng)偵Ⅰ詈戏抡婺Ｐ?/h3>

在建模時(shí)，可以從不同工況運(yùn)行視角確定耦合模型。模型①為15°上下山工況；模型②是不同物料條件的工況，模型③即為傾斜運(yùn)輸環(huán)境下的工況。經(jīng)三個(gè)不同場景得比對結(jié)果，可以分析得出：仿真設(shè)計(jì)具有可行性。以模型②為例進(jìn)行闡述，假設(shè)在仿真設(shè)計(jì)中，煤料可以實(shí)現(xiàn)200kg/s 的運(yùn)輸狀態(tài)，隨著運(yùn)輸量的增加，將運(yùn)輸量設(shè)定為自變量，確定在300kg/s 與400kg/s 運(yùn)輸量下刮板輸送機(jī)的故障率是否存在差異，自此判斷運(yùn)輸量的控制也是預(yù)防故障的重要途徑。若過量運(yùn)輸物料，將引起設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)行。因此，可以依據(jù)設(shè)備參數(shù)求取最佳運(yùn)輸量，合理安排運(yùn)輸時(shí)間。

根據(jù)不同工況條件采用有限元分析法，對仿真模型進(jìn)行綜合分析，還需要設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)，由此提升仿真設(shè)計(jì)實(shí)效性。以模型①為主進(jìn)行深度研究。在上下山工況中，將傾角保持在20°左右，側(cè)重于下山條件的模擬演練。其中上山需在0°～5°之間，下山則在5°～15°之間。基于仿真模型，可以先行將礦山刮板輸送機(jī)上煤料的運(yùn)行速度保持在200kg/s 左右，此時(shí)假設(shè)在仿真模型模擬運(yùn)行中煤料顆粒橫縱方向初始速度分別為每秒0.4m，且Z 軸方向?yàn)槊棵?1m，共計(jì)在運(yùn)行中消耗了6s，其示意圖（圖2）。經(jīng)過有限元分析軟件的應(yīng)用，即可從中準(zhǔn)確把控仿真模型中重力加速度的分量變化情況。其中可按照下述參數(shù)值設(shè)置仿真模型。第一組是在上山5°的工況下，對應(yīng)3 個(gè)軸向重力加速度各自為0m/s2、-9.77m/s2、-0.85m/s2，而上山0°工況下，僅有Z 軸產(chǎn)生重力加速度分量為-9.81m/s2，而后研究下山條件下的3 個(gè)工況對應(yīng)的Y 分量、Z 分量重力加速度各自為（0，-9.77，-0.85）m/s2、（0，-9.66，1.70）m/s2、（0，2.54，-9.48）m/s2。經(jīng)過對仿真組別的分析，能夠在力的作用下，對輸送機(jī)運(yùn)行速度予以調(diào)整，以期在現(xiàn)實(shí)場景中保持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

圖2 仿真設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)力變化

此外，在有限元分析中還可以專門針對上述提到的鏈條故障，建立有限元模型，以此經(jīng)過仿真分析后，即可有效預(yù)防鏈條故障。首先，在ANSYS 軟件輔助下，結(jié)合輸送機(jī)鏈條形態(tài)建模。此時(shí)可以假設(shè)某輸送機(jī)鏈條泊松比為0.3，密度為7.8×10-9t/mm3，采用網(wǎng)格劃分法建模。其次，為輸送機(jī)鏈條設(shè)計(jì)約束條件。一般情況下，鏈條受力規(guī)律多受鏈條強(qiáng)度影響。根據(jù)相關(guān)調(diào)查，在分析鏈條受力位置時(shí)，與鏈輪直接相連的鏈條，其應(yīng)力較大。經(jīng)過目標(biāo)函數(shù)對鏈條尺寸的分析，能夠在不同形態(tài)下，求取最小值，而后經(jīng)過對輸送機(jī)鏈條接觸面積的控制，規(guī)避磨損風(fēng)險(xiǎn)。其中還可以在零階方法作用下，不斷對鏈條尺寸予以優(yōu)化處理，最終通過對等效應(yīng)力的調(diào)控對鏈條應(yīng)力加以優(yōu)化。最后，可以從有限元模型的仿真分析中，對鏈條尺寸提出優(yōu)化對策，而且還能盡量縮小輪齒的尺寸，隨之降低等效應(yīng)力，促使鏈條保持均勻受力狀態(tài)。基于此，以有限元分析軟件，對鏈條受力情況以及物料接觸面積進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，繼而在仿真模型中，驗(yàn)證最適合現(xiàn)實(shí)運(yùn)行條件的參數(shù)值。其中，關(guān)于鏈條有限元模型的建立，常按照以下順序予以設(shè)計(jì)：①參照實(shí)體輸送機(jī)，對構(gòu)件形狀進(jìn)行離散劃分，而后獲取小型剛性體，并在模擬操作中，將其轉(zhuǎn)化為柔性體。②在有限元軟件中選取柔性體模塊，并根據(jù)剛性體構(gòu)件特征實(shí)施柔性處理，之后予以替換，實(shí)現(xiàn)柔性體與剛性體的合理轉(zhuǎn)換。③以ANSYS 于有限元軟件設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)過模態(tài)計(jì)算后即可制成仿真模型，從中分析不同工況下的運(yùn)行動(dòng)態(tài)。

3 結(jié)語

綜上所述，礦山刮板輸送機(jī)常見故障多以減速器、電動(dòng)機(jī)、鏈條故障為主。為了切實(shí)優(yōu)化設(shè)備性能，提高輸送效率，可從實(shí)踐應(yīng)用層面上，為其設(shè)計(jì)在線監(jiān)測方案、推行精細(xì)化檢修模式、準(zhǔn)確查明故障起因、建立仿真模型，確保設(shè)備故障得到妥善處理，為工業(yè)礦山輸送項(xiàng)目順利實(shí)施給予保障，符合安全運(yùn)行要求。