閆 陽

(大同煤礦集團有限責任公司四臺煤礦,山西 大同 037000)

0 引言

第一臺帶式輸送機生產(chǎn)至今已有160多年。最初的帶式輸送機比較簡單，工藝細節(jié)和質(zhì)量也比較差。隨著科學技術和工業(yè)水平的不斷進步，帶式輸送機的發(fā)展也經(jīng)歷了大跨越、大發(fā)展，其工藝和質(zhì)量也越來越好。煤礦用帶式輸送機能夠實現(xiàn)連續(xù)裝載和連續(xù)運輸，可以快速輸送井下采掘的矸石或煤炭，具有很高的生產(chǎn)效率，同時，其工作過程中產(chǎn)生的噪音相對較小，所以在煤炭企業(yè)中得到了非常廣泛的應用。

目前，煤礦用帶式輸送機正朝著快速、遠距離、大裝載量等方向發(fā)展，滾筒與托輥的結構和尺寸也在不斷加大，力學性能也不斷提高。但是，由于裝載、運輸能力的提升，滾筒與托輥等主要部件也會出現(xiàn)各類故障，比較常見的故障有滾筒軸承破壞、托輥筒皮磨透等。由于帶式輸送機在煤炭開采中承擔的責任非常重要，要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成煤炭資源的輸送。如果發(fā)生故障，輕則導致設備停運，開采無法進行，給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟損失，重則可能導致人員傷亡事故，產(chǎn)生不良的社會影響和財產(chǎn)損失。

研究帶式輸送機滾筒與托輥的失效率就是為了及時掌握設備在生產(chǎn)中運行的可靠性，針對可能出現(xiàn)的問題提前進行設備維護或者更換零件，確保設備能夠可靠、穩(wěn)定、安全的運行。

1 帶式輸送機滾筒與托輥故障分析

1.1 滾筒常見故障分析

滾筒是帶式輸送機的重要組成部件。在帶式輸送機運行過程中，滾筒容易發(fā)生的主要故障有滾筒體包膠磨損、滾筒體壓裂開焊、滾筒軸損壞及滾筒軸承座損壞，如圖1所示。

a-滾筒軸承破壞;b-托輥筒皮磨透圖1 帶式輸送機滾筒和托輥損壞現(xiàn)場圖

包膠磨損：帶式輸送機運行過程中，滾筒的圓周力持續(xù)增大，當超過允許范圍時，輸送帶會在滾筒旋轉的相反方向形成微小的運動(即伸長滑移)，此時，輸送帶與滾筒之間由于蠕變現(xiàn)象會加大摩擦，使得滾筒體包膠不斷磨損。此外，輸送帶回程時如果上面附著有殘余的物料，也會對包膠產(chǎn)生磨損。

壓裂開焊：帶式輸送機長時間超載運行時，會讓滾筒長時間承受較大的載荷，如果滾筒焊接質(zhì)量不佳，則最終可能導致滾筒體被壓裂。

軸損壞：主要是由于滾筒軸質(zhì)量不佳，如設計尺寸不足、材料強度不夠、熱處理工藝差等。此外，如果主動滾筒與從動滾筒的中心線不平行，或者滾筒軸的圓角半徑太小都會增加滾筒軸損壞的概率。

軸承座損壞：主要是輸送機輸送線路坡度大、長期超載、頻繁啟停車、軸承中有異物等原因造成的。

1.2 托輥常見故障分析

在輸送機的穩(wěn)定運行中，托輥的作用非常重要。托輥主要由筒殼、軸、軸承、密封件及軸承座等組成。為了確保輸送機運行可靠性，必須保證托輥的可靠性，應盡可能減小其產(chǎn)生的回轉阻力。托輥的主要故障有托輥筒皮磨壞、托輥軸承損壞及托輥彎曲變形損壞等，如圖1所示。

筒皮磨壞：托輥筒皮磨壞的主要原因有：托輥本身的回轉阻力增大，加大了與輸送帶之間的摩擦力；托輥旋轉時的運行方向與輸送帶運行方向存在夾角；托輥運行環(huán)境惡劣。

軸承損壞：軸承損壞的主要原因有：選型不合理、設計不合理、密封性能差、潤滑失效等。

彎曲變形損壞：托輥彎曲變形損壞的主要原因有：托輥設計時強度和剛度未達標準、局部過載導致應力集中等。

2 帶式輸送機滾筒與托輥的故障樹模型

故障樹分析法是通過分析基本事件之間的聯(lián)系來解決問題的一種方法，能夠對復雜系統(tǒng)進行簡化，清晰、直觀的顯示各事件之間的邏輯關系。根據(jù)對帶式輸送機滾筒與托輥故障類型的分析，結合故障樹分析法的基本原理，建立帶式輸送機滾筒與托輥的故障樹模型，并進行分析。

2.1 滾筒故障樹模型

滾筒故障樹模型如圖2所示，該故障樹由6個邏輯或門和17個底事件組成，故障樹中符號具體說明見表1。

圖2 帶式輸送機滾筒故障樹模型

故障樹模型的數(shù)學分析是基于布爾運算，所以滾筒故障樹模型的數(shù)學計算見式(1)。當獲取了每個底事件發(fā)生的概率后，即可求得帶式輸送機滾筒發(fā)生故障的概率。

T1=M1+M2+M3+M4

=x1+x2+x3+x4+…+x14+M5

=x1+x2++x3+x4+…+x15+x16+x17

(1)

2.2 托輥故障樹模型

托輥故障樹模型如圖3所示，該故障樹由3個邏輯或門和8個底事件組成，符號具體說明見表2。

圖3 帶式輸送機托輥故障樹模型

表2 帶式輸送機托輥故障樹說明

托輥故障樹模型的數(shù)學計算見式(2)。當獲取了每個底事件發(fā)生的概率后，即可求得帶式輸送機托輥發(fā)生故障的概率。

T2=M6+M7

=x18+x19+x20+x21+x22+x23+x24+x25

(2)

3 帶式輸送機滾筒與托輥的失效率分析

失效率分析是評價設備可靠性的重要指標之一，正確的失效率判斷能夠為設備的維護等提供直接的數(shù)據(jù)依據(jù)。這里采用數(shù)據(jù)分析和直方圖分析法對帶式輸送機滾筒與托輥的壽命進行分析。

3.1 直方圖分析法

直方圖分析法的具體步驟如下。

(1)判斷采集的數(shù)據(jù)組中最大值L與最小值S。

(2)對采集數(shù)據(jù)進行分組，確定分組數(shù)k，計算公式見式(3)。

k=1+3.3lgn

(3)

式中：n—采集數(shù)據(jù)個數(shù)。

(3)計算每組之間的間隔Δt，公式見式(4)。

Δt=(L-S)/k

(4)

(4)計算每組的中心數(shù)據(jù)ti，中心數(shù)據(jù)取每組數(shù)據(jù)上下限的平均值。

(5)計算樣本均值t，計算公式見式(5)。

(5)

式中：ri—采集數(shù)據(jù)落入每組中的頻數(shù)。

(6)計算樣本標準差s，計算公式見式(6)。

(6)

(7)繪制直方圖，并進行分析。由于滾筒與托輥的失效分布屬于威布爾分布見式(7)，因此，可以得出失效率計算模型。

(7)

式中：m—形狀參數(shù)；Na—特征壽命；N0—位置參數(shù)。

3.2 帶式輸送機滾筒與托輥壽命分析

在同煤集團所屬7座煤礦選擇滾筒27個、托輥300個，進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)直方圖分析法，得出分析結果如圖4所示。

a-滾筒；b-托輥圖4 帶式輸送機滾筒和托輥失效率圖

從圖4可以看出，滾筒和托輥的失效率服從形狀參數(shù)為1.5的威布爾分布。因此，可以得出滾筒失效率和托輥失效率計算模型分別見式(8)、式(9)。

(8)

式中：N1，N2—滾筒與托輥的實際使用時間。

對上式進行驗算，取N1=20 000 h，N2=25 000 h，分別代入上述兩個公式可得：F1=78.56%；F2=68.96%。結果與圖4接近，符合實際情況。

4 結論

(1)文中對常見的滾筒體包膠磨損、滾筒體壓裂開焊、滾筒軸損壞、滾筒軸承座損壞等滾筒故障進行了分析，并建立了由6個邏輯或門和17個底事件組成的故障樹模型；對常見的托輥筒皮磨壞、托輥軸承損壞、托輥彎曲變形損壞等托輥故障進行了分析，并建立了由3個邏輯或門和8個底事件組成的故障樹模型。并通過布爾運算，對各故障樹分別進行了邏輯運算。

(2)在故障樹分析的基礎上通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得出了滾筒與托輥失效率的計算模型，通過代入零件的實際使用時間進行驗算可知，模型計算結果與現(xiàn)場實際接近，因此，模型可以為設備的檢修和零部件的更換提供科學的依據(jù)。