煤礦刮板輸送機(jī)溜槽失效分析及改進(jìn)

李彥凱

（冀中能源機(jī)械裝備集團(tuán)通方煤礦機(jī)械有限公司，河北 邯鄲 056000）

隨著煤礦生產(chǎn)要求的不斷提高，刮板輸送機(jī)的應(yīng)用面臨更強(qiáng)荷載，誘發(fā)其溜槽失效的原因趨于多樣化。當(dāng)前技術(shù)條件下，技術(shù)人員應(yīng)準(zhǔn)確把握煤礦刮板輸送機(jī)溜槽結(jié)構(gòu)與運(yùn)行特點(diǎn)，創(chuàng)新方式方法，強(qiáng)化對(duì)溜槽失效問題的辨識(shí)控制，多維度提升其應(yīng)用可靠性。

1 煤礦刮板輸送機(jī)溜槽結(jié)構(gòu)及運(yùn)行

刮板輸送機(jī)是現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)流程中的重要機(jī)械設(shè)備，對(duì)于保障煤炭順利有序輸送，有效提高生產(chǎn)作業(yè)效能等具有直接作用。溜槽作為刮板輸送機(jī)的機(jī)身構(gòu)成部件，發(fā)揮著煤炭運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)實(shí)作用，其結(jié)構(gòu)大致可分為中部槽、連接槽和調(diào)節(jié)槽等部分。其中，中部槽主要有中板、支座、槽幫鋼和高錳鋼凸端頭等焊接而成，構(gòu)造成為上下兩層槽結(jié)構(gòu)，在整個(gè)溜槽中所占比例最大。

近年來，廣大煤礦生產(chǎn)單位不斷總結(jié)煤礦刮板輸送機(jī)溜槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，在細(xì)化設(shè)計(jì)規(guī)范流程，精準(zhǔn)校核分析結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行了積極探索，形成了邊雙鏈、中雙鏈和中單鏈等多種樣式，顯著提高了溜槽結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中的穩(wěn)定性，保障了煤礦生產(chǎn)中輸送環(huán)節(jié)的實(shí)際效果。

在煤礦刮板輸送機(jī)運(yùn)行中，刮板鏈通常充當(dāng)牽引機(jī)構(gòu)，繞過機(jī)頭和機(jī)尾處于無極循環(huán)狀態(tài)，而整個(gè)過程中所產(chǎn)生的負(fù)荷則主要集中于溜槽結(jié)構(gòu)上。在液力耦合裝置和減速裝置輔助下，溜槽拖動(dòng)煤料在特定方向上完成輸送。受拉壓、摩擦、沖擊和震動(dòng)等影響，溜槽難免會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象，降低煤礦刮板輸送機(jī)實(shí)際工況效能，需要給予重視，并采取專業(yè)技術(shù)措施進(jìn)行防范處理。

2 煤礦刮板輸送機(jī)溜槽失效原因分析

2.1 磨料磨損

在當(dāng)前煤礦刮板輸送機(jī)構(gòu)造中，刮板鏈在加工制造過程中通常會(huì)形成諸多凸起或棱角等，在運(yùn)送輸送狀態(tài)下會(huì)對(duì)溜槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特定強(qiáng)度的摩擦，尤其在煤炭輸送量和輸送強(qiáng)度較大時(shí)，更容易加劇磨料磨損[1]。煤礦刮板輸送機(jī)溜槽結(jié)構(gòu)的剛度條件和強(qiáng)度條件相對(duì)較低，與之相比，刮板鏈的硬度則相對(duì)更高，通過長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，二者接觸區(qū)域的摩擦效應(yīng)將更加明顯，加劇溜槽失效。在煤矸石等磨料作用下，溜槽構(gòu)件在外在表現(xiàn)上還會(huì)出現(xiàn)微切割狀態(tài)。

2.2 黏著破損

在煤礦刮板輸送機(jī)運(yùn)行中，溜槽等各項(xiàng)構(gòu)件會(huì)形成密切接觸，接觸部分容易形成微凸體，這些微凸體的存在直接改變了各構(gòu)件間的受力狀態(tài)，在負(fù)荷狀態(tài)下滑動(dòng)作用下誘發(fā)形成黏著破損。黏著破損的形成與發(fā)展是一個(gè)連續(xù)性的過程，外部形態(tài)通常表現(xiàn)為出現(xiàn)程度不一的碎屑，當(dāng)荷載應(yīng)力超出界限強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致溜槽失效，且容易形成基于塑性狀態(tài)的縱向剪切破壞。在黏著破損影響下，溜槽失效狀態(tài)將更加明顯，刮板輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性將顯著降低。

2.3 磨蝕磨損

磨蝕磨損同樣是煤礦刮板輸送機(jī)溜槽失效的重要原因。通常情況下，刮板輸送機(jī)的實(shí)際工況環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，不僅所處環(huán)境空氣濕度大，而且浮游著諸多類型的氣體離子。在氣體離子和水分子等長(zhǎng)期影響下，溜槽結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面會(huì)出現(xiàn)水化反應(yīng)，久而久之形成銹蝕，并由點(diǎn)狀向面狀傾向擴(kuò)散，影響溜槽實(shí)際應(yīng)用效果。磨蝕磨損與黏著磨損之間存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，在二者共同作用下導(dǎo)致溜槽裂縫。在該狀況下，當(dāng)溜槽外部摩擦力超出負(fù)荷限值，則會(huì)出現(xiàn)脫落。

2.4 接觸疲勞磨損

煤礦刮板輸送機(jī)不同的構(gòu)成部件具有不同的實(shí)際功能，共同完成煤料的輸送任務(wù)，而這一效果的實(shí)現(xiàn)往往需要采用滾動(dòng)或滑動(dòng)等方式。無論是滾動(dòng)方式還是滑動(dòng)方式，均會(huì)導(dǎo)致溜槽接觸疲勞磨損，多部件之間長(zhǎng)期接觸摩擦，彼此之間形成較強(qiáng)應(yīng)力作用，出現(xiàn)疲勞脫落失效現(xiàn)象。在運(yùn)載作業(yè)過程中，煤塊和矸石等會(huì)對(duì)刮板輸送機(jī)各項(xiàng)構(gòu)件產(chǎn)生顯著應(yīng)力作用，當(dāng)出現(xiàn)接觸疲勞磨損后，溜槽的正常穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)將被打破。

3 煤礦刮板輸送機(jī)溜槽失效的優(yōu)化方法

3.1 加強(qiáng)對(duì)新型耐磨溜槽的設(shè)計(jì)探索

縱觀以往煤礦刮板輸送機(jī)溜槽設(shè)計(jì)實(shí)際，更多情況下會(huì)將高錳鋼作為基本材料，這種材料盡管具有較大強(qiáng)度條件，但重量同樣相對(duì)較大，會(huì)直接增大刮板輸送機(jī)整體重量，使溜槽在實(shí)際使用過程中形成更大強(qiáng)度比[2]。同時(shí)，高錳鋼抗腐蝕能力相對(duì)不足，尤其在濕度系數(shù)較大的環(huán)境下更容易加劇銹蝕現(xiàn)象，加之酸堿環(huán)境影響，更容易加大能耗。對(duì)此，應(yīng)研究開發(fā)可應(yīng)用于刮板輸送機(jī)溜槽的新型材料，比如聚己內(nèi)酰胺等，該類材料具有較低的聚合溫度，在實(shí)際應(yīng)用中的力學(xué)性能表現(xiàn)相對(duì)優(yōu)越，可形成更加穩(wěn)定有效的整體荷載，且便于安裝操作與維護(hù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。在部分煤礦生產(chǎn)中，已有單位對(duì)溜槽設(shè)計(jì)進(jìn)行了創(chuàng)新，取得了各類新型材料應(yīng)用的理想效果。

3.2 加強(qiáng)對(duì)溜槽成分與溜槽表面的技術(shù)處理

溜槽成分與溜槽表面狀況的優(yōu)劣與其失效問題具有直接關(guān)聯(lián)，如何通過專業(yè)技術(shù)處理方法，優(yōu)化其成分構(gòu)成，提升溜槽表面耐磨性能，成為改進(jìn)溜槽構(gòu)造方式的重要內(nèi)容。

一方面，應(yīng)根據(jù)煤礦刮板輸送機(jī)應(yīng)用環(huán)境要求等，對(duì)以往溜槽成分進(jìn)行分析，針對(duì)影響其剛度條件和強(qiáng)度條件的各類成分要素，分別進(jìn)行優(yōu)化處理，以有效防止黏著磨損和磨蝕磨損等。

另一方面，強(qiáng)化對(duì)溜槽表面的專業(yè)技術(shù)處理，借助數(shù)字化控制工藝等，嚴(yán)格控制溜槽中部槽、中板表面、熔覆合金等質(zhì)量，減少潛在的凸起或棱角，以構(gòu)造形成良好的耐磨性能。依托于專業(yè)化的溜槽技術(shù)處理，刮板輸送機(jī)的整體荷載能力將更加突出，可在更短時(shí)間內(nèi)完成更多數(shù)量的煤料輸送任務(wù)，且使用壽命更長(zhǎng)。

3.3 加強(qiáng)對(duì)堆焊技術(shù)的有效應(yīng)用

堆焊技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展與實(shí)踐運(yùn)用，為新時(shí)期刮板輸送機(jī)溜槽失效改進(jìn)提供了更為先進(jìn)完善的技術(shù)載體，使傳統(tǒng)技術(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化改進(jìn)效果更具實(shí)現(xiàn)可能。對(duì)此，在溜槽堆焊作業(yè)中，應(yīng)首先將附著于其表面的各類污垢和銹跡等進(jìn)行充分清除，保證作業(yè)面的光滑完好狀態(tài)，然后進(jìn)行施焊。正式焊接前，應(yīng)對(duì)溜槽焊接作業(yè)區(qū)域和材料進(jìn)行預(yù)熱，適度提高其溫度數(shù)值，形成良好堆焊性能。由于基材母材和中板耐磨層的技術(shù)參數(shù)明顯，為保證堆焊過渡層的作業(yè)效果，應(yīng)同時(shí)做好打底處理，有效消除后期焊接應(yīng)力，避免出現(xiàn)脫離。在焊接溫度達(dá)到技術(shù)要求后，方可進(jìn)行正式堆焊操作。若堆焊完成后，發(fā)現(xiàn)鏈道犁溝存在外力凹凸，則可進(jìn)行二次補(bǔ)平處理，并清理殘留焊渣。

3.4 加強(qiáng)刮板輸送機(jī)維護(hù)管理，延長(zhǎng)使用壽命

煤礦生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)性要求較高，刮板輸送機(jī)容易長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)，溜槽所遭受的外部應(yīng)力會(huì)對(duì)其整體技術(shù)性能產(chǎn)生影響，因此做好相關(guān)設(shè)備的維護(hù)管理至關(guān)重要。在溜槽安裝前，應(yīng)對(duì)其構(gòu)成部件的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格校對(duì)，確保其綜合性能能夠滿足連續(xù)性工作要求；在安裝中，則應(yīng)確保溜槽各個(gè)部位的安裝接口距離等，保持構(gòu)件平直狀態(tài)。制定行之有效的刮板輸送機(jī)維護(hù)管理規(guī)范，定期對(duì)其施工狀況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，做好對(duì)其負(fù)荷參數(shù)的監(jiān)測(cè)管理，以動(dòng)態(tài)化的方式調(diào)整其運(yùn)行效果，杜絕出現(xiàn)違規(guī)操作行為。執(zhí)行嚴(yán)格的溜槽維護(hù)管理規(guī)章制度，對(duì)于維護(hù)管理中發(fā)現(xiàn)的各類缺陷或故障等問題，應(yīng)第一時(shí)間予以處理，保證各個(gè)構(gòu)件正常運(yùn)作。

4 刮板輸送機(jī)溜槽沖擊荷載研究

4.1 沖擊模型的建立

為有效改進(jìn)溜槽設(shè)計(jì)效果，可采用沖擊模型的方式對(duì)其沖擊荷載進(jìn)行描述分析，以清晰地觀察溜槽所遭受的外部荷載強(qiáng)度，以此輔助刮板輸送機(jī)維護(hù)管理節(jié)點(diǎn)的選擇。對(duì)此，可選擇具有代表性的荷載應(yīng)力參數(shù)，構(gòu)建基于溜槽應(yīng)力狀態(tài)的沖擊模型，分析重物在輸送帶上所產(chǎn)生的最大變形，并在考量損耗恢復(fù)系數(shù)的同時(shí)，形成模型。依托于沖擊模型，溜槽所承受的荷載強(qiáng)度可通過輸送帶垂向變形剛度系數(shù)和重力作用下輸送帶垂度反映出來，并按照彈性模量的優(yōu)化算法，得到彈性接觸力。當(dāng)彈性接觸力超出溜槽額定荷載時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)外在異?，F(xiàn)象。

4.2 溜槽所受壓力計(jì)算

在不同壓力影響下，刮板輸送機(jī)溜槽的失效狀態(tài)與失效節(jié)點(diǎn)等存在明顯不同，通過準(zhǔn)確計(jì)算其所遭受的階段性壓力，可對(duì)溜槽失效狀態(tài)作出分析與預(yù)測(cè)。對(duì)此，可采用軟件模擬技術(shù)，對(duì)載有散狀煤料的刮板輸送機(jī)橫截面等參數(shù)進(jìn)行協(xié)同模擬分析，以直觀化的方式觀察溜槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)摩擦力等參數(shù)狀態(tài)。將模擬獲取到的實(shí)際值與溜槽摩擦力目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析，設(shè)定符合技術(shù)規(guī)范的偏離幅度，若明顯超出偏離允許值，則應(yīng)對(duì)溜槽側(cè)面間隙作出優(yōu)化調(diào)整。在煤料重力加速度影響下，合理調(diào)整物料堆積密度，設(shè)置刮板節(jié)距等[3]。

4.3 溜槽尺寸的優(yōu)化改進(jìn)

在煤礦刮板輸送機(jī)構(gòu)造體系中，影響荷載應(yīng)力變化狀態(tài)的構(gòu)件主要為刮板、刮板鏈和擋煤板等，這些同時(shí)也是優(yōu)化改進(jìn)溜槽尺寸的重要考量因素。在技術(shù)參數(shù)層面，溜槽尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)涵蓋溜槽寬度、溜槽高度、溜槽厚度等，結(jié)合物料單位長(zhǎng)度、體積和質(zhì)量等，校核分析摩擦參數(shù)和物料孔隙率等，使溜槽尺寸能夠滿足連續(xù)性生產(chǎn)作業(yè)要求，降低失效現(xiàn)象發(fā)生概率。將煤礦刮板輸送機(jī)輸送的煤料進(jìn)行分層，為上層煤料和下層煤料分別賦予摩擦參數(shù)，然后觀察該參數(shù)下溜槽應(yīng)力荷載狀態(tài)，以得出靜止?fàn)顟B(tài)下溜槽內(nèi)部平面受力情況。

4.4 控制直線型溜槽傾角

研究表明，煤礦刮板輸送機(jī)溜槽傾角對(duì)煤料的輸送速度具有顯著影響，傾角參數(shù)越大，煤料所遭受的重力作用相對(duì)較大，輸送過程中的煤料堆積相應(yīng)增大，速度同樣會(huì)形成正相關(guān)關(guān)系。因此，應(yīng)通過控制優(yōu)化直線型溜槽傾角參數(shù)，控制煤料輸送軌跡和速度，降低物料落差，減小溜槽所遭受的外力沖擊影響。傾角參數(shù)的具體計(jì)算應(yīng)考慮煤料密度、煤料動(dòng)堆積角度、轉(zhuǎn)載落差和卸載傾角等數(shù)值大小，根據(jù)不同參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)溜槽傾角最優(yōu)化。對(duì)溜槽傾角的階段性效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，驗(yàn)算煤料滑落速度，判斷溜槽磨損程度。

4.5 控制溜槽表面形狀跑偏影響

煤料輸送過程中會(huì)釋放出相應(yīng)的流動(dòng)性，通過優(yōu)化控制溜槽表面形狀，可使煤料在輸送中的分布狀態(tài)更加均衡，有助于降低對(duì)輸送帶跑偏的影響，延緩溜槽失效問題的發(fā)生[4]。

在當(dāng)前技術(shù)條件下，溜槽表面可大致分為U 型表面和平底表面等兩種類型，二者在適用條件、流動(dòng)軌跡與效果預(yù)期等方面存在一定差異，應(yīng)根據(jù)煤礦刮板輸送機(jī)的具體工況需求予以綜合設(shè)定。對(duì)于U 型表面溜槽，煤料流動(dòng)中向中心線聚集的趨勢(shì)更為明顯，而平底表面溜槽則難以使煤料向輸送帶中央轉(zhuǎn)移。通過優(yōu)化設(shè)置溜槽表面形狀，同時(shí)可輔助對(duì)裝載點(diǎn)處兩側(cè)煤料質(zhì)量差值的優(yōu)化調(diào)整。

4.6 優(yōu)化溜槽與輸送帶最小張力的限制條件

煤礦刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)、制動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行等狀態(tài)下，溜槽與輸送帶最小張力各不相同，為能夠獲得充足摩擦力完成煤料輸送任務(wù)，降低溜槽損耗，應(yīng)優(yōu)化其限制條件，將最小繞入張力和繞出張力等限定在荷載強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

影響上述限制條件的因素包括煤料質(zhì)量、煤料落差、輸送帶張力和托輥間距等，可采用正交試驗(yàn)方法確定具體優(yōu)化方法，為各項(xiàng)影響參數(shù)指標(biāo)賦予相應(yīng)權(quán)重，得出最小張力下的限制條件。針對(duì)溜槽磨損發(fā)生的具體位置，可對(duì)法向累計(jì)接觸能量和切向累計(jì)接觸能量等分別做出優(yōu)化分析。

5 結(jié)語

受工況條件、材料運(yùn)用與荷載分析等要素影響，當(dāng)前導(dǎo)致煤礦刮板輸送機(jī)溜槽失效的原因是多方面的，不利于實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的最佳應(yīng)用成效[5]。因此，技術(shù)人員應(yīng)摒棄傳統(tǒng)陳舊的技術(shù)方法束縛，精準(zhǔn)把握刮板輸送機(jī)溜槽失效問題的誘發(fā)原因，宏觀審視溜槽失效問題對(duì)煤礦生產(chǎn)效能產(chǎn)生的直接影響，建立健全基于全流程的刮板輸送機(jī)溜槽失效跟蹤監(jiān)測(cè)控制體系，積極有效地運(yùn)用科學(xué)算法，為準(zhǔn)確排除溜槽失效誘因奠定基礎(chǔ)，為保障煤礦工業(yè)生產(chǎn)事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。