王曉飛

（中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北 張家口 076250）

0 引言

結合國家統(tǒng)計局公布的相關數(shù)據(jù)：截至2021 年，我國已完成3.8 億t 原煤開采任務，同比增長7.2%。隨著采煤量的提高，合理運煤已成為工業(yè)領域發(fā)展重心。作為工業(yè)專用輸送設備，刮板輸送機能夠在礦井作業(yè)中給予協(xié)助輸送服務。

1 礦山刮板輸送機常見故障

礦山刮板輸送機多見鏈條故障、電動機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。設備類型不同，鏈條故障發(fā)生頻率也有差異。對比LM500 型設備（美國生產(chǎn)）、80T 設備（國產(chǎn)）、MSD 型設備（日本生產(chǎn)）時，以原煤輸送量（H）為對比依據(jù)，三種刮板輸送機鏈條故障風險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，維修時間至少有3h，會直接導致400 萬t 原煤延期出產(chǎn)[1]；此外，跳鏈也是刮板輸送機鏈條故障類型之一。刮板輸送機作業(yè)強度較大，且需長時間保持運行狀態(tài)，極易使刮板機鏈輪磨損，還會引發(fā)刮板缺失、變形等問題。存有故障隱患的設備應用于礦山生產(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；常源于機械損傷、電氣異常、受潮、過熱因素引發(fā)電動機故障。在使用礦山刮板輸送機期間，若電動機在設備運行期間出現(xiàn)了電解液泄漏或是螺絲松動、劣質(zhì)潤滑油、油量供應不足等情況時，均會引起機械損傷。電氣異常引起的電動機故障問題，也被稱為電機燒毀故障。多見于定子繞組短路、高低壓連接異常、絕緣層性能下降。電機設置的作用是將電能轉(zhuǎn)化為刮板輸送機運行動能，隨著運行時間的延長，刮板輸送機的運行負荷會加重，電機在高負荷下長時間運作會產(chǎn)生瞬間沖擊電流。這種瞬間沖擊電流會引發(fā)電機內(nèi)部繞組弧光短路、砸圈短路等問題，最終導致電機燒毀；此外，從設備運行聲音、觸感，亦可見到減速器故障。筆者在遇到設備故障問題時，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。刮板輸送機運作過程中，若存在刮板安裝不合理、物料超重、刮板與輸送機間隙過小、溜槽對接不合理、輸送機頻繁啟停等問題，均會增大溜槽破損、彎曲、變形等風險，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?？墒褂媚猃埿滦蛷秃喜牧现谱髁锊郏源私档湍p系數(shù)與噪聲，規(guī)避溜槽磨損故障的發(fā)生。

2 礦山刮板輸送機故障處理實踐路徑

2.1 設計鏈條張力在線監(jiān)測方案

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

第一步，在對鏈條結構加以優(yōu)化改造時，應當先行確定監(jiān)測位置，對鏈條的五個孔位實施在線監(jiān)測；第二步，在確定監(jiān)測范圍后，需要安裝應變傳感器，作為能夠采集張力數(shù)據(jù)的輔助設施，傳感器可以按照（圖1）所示的安裝步驟，完成安裝任務，其相關參數(shù)的設定，從實際研究中總結得出：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)的精準采集，能夠在數(shù)據(jù)傳輸中掌握鏈條動態(tài)；第三步，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸功能時，還需要設計無線通訊系統(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)測方案設計期間，還可以利用有限元軟件，對鏈條張力變化情況進行實時分析，其中可以根據(jù)自動網(wǎng)格劃分的形式，將實體鏈條轉(zhuǎn)化為虛擬網(wǎng)格，從中驗證鏈條強度。經(jīng)過對相關數(shù)據(jù)的整合處理，刮板輸送機鏈條選用的是材質(zhì)密度7.85×10-6kg/mm3，0.25 泊松比，211GPa 彈性模量的鏈條，經(jīng)軟件分析后得出應力值為803MPa，比原有材料強度極限值小367MPa，確定此鏈條尚未達到疲勞極限，依然可以在物料輸送中保持常態(tài)。

圖1 應變傳感器安裝樣式

2.2 實現(xiàn)電動機故障精細化檢修

電動機故障在實際處理期間，根據(jù)市面上主要用于運輸煤泥的ZXCZ300 型刮板輸送機檢修結果，該設備每小時能夠運輸60t 煤泥，其功率為45kW（電動機），電壓為380V。在常規(guī)輸送作業(yè)中，筆者在觀察此設備運行狀態(tài)時，發(fā)現(xiàn)電動機存在異響，且該設備處于長期運行狀態(tài)。處理電動機故障時，檢修人員應當先行對電動機進行測溫操作，若出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，即可判定電動機在高負荷運行下存在散熱不達標問題。精細化管理應做好安全管理工作。

（1）檢修人員應在確定屬于電動機故障后，對電動機連接的線路以及螺絲進行細致檢查。待確定無誤后，即可對電動機的完整度以及是否存在漏油情況實施全方位檢測。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 振動測量儀確定振動幅度，掌控電動機機械運動規(guī)律的達標率。

（2）面對因潤滑油質(zhì)量問題引起的故障后果，應從市場上選出性價比偏優(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潤滑場景中的潤滑油，其凝點與外界環(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

減速器故障在實際處理時，應當根據(jù)不同故障原因確定修復方案。因減速器故障誘發(fā)原因復雜，故此在妥善處理該故障時，要求維修人員以故障起因細化處理計劃。

（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“強烈且持續(xù)的響聲”，則考慮減速器軸承異常。此時，維修人員可以開啟減速器上蓋，查明聲音來源。

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

（3）人為因素引起的故障，應通過職業(yè)培訓、業(yè)務指導等實踐活動，提升維修人員、操作人員的職業(yè)技能，以權威資質(zhì)降低人為失誤率，以期在多項舉措指引下，有效應對減速器故障風險，并做好事后修復工作。

2.4 建立離散元剛散耦合仿真模型

在建模時，可以從不同工況運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即為傾斜運輸環(huán)境下的工況。經(jīng)三個不同場景得比對結果，可以分析得出：仿真設計具有可行性。以模型②為例進行闡述，假設在仿真設計中，煤料可以實現(xiàn)200kg/s 的運輸狀態(tài)，隨著運輸量的增加，將運輸量設定為自變量，確定在300kg/s 與400kg/s 運輸量下刮板輸送機的故障率是否存在差異，自此判斷運輸量的控制也是預防故障的重要途徑。若過量運輸物料，將引起設備高負荷運行。因此，可以依據(jù)設備參數(shù)求取最佳運輸量，合理安排運輸時間。

根據(jù)不同工況條件采用有限元分析法，對仿真模型進行綜合分析，還需要設置對應的參數(shù)，由此提升仿真設計實效性。以模型①為主進行深度研究。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?；诜抡婺Ｐ?，可以先行將礦山刮板輸送機上煤料的運行速度保持在200kg/s 左右，此時假設在仿真模型模擬運行中煤料顆粒橫縱方向初始速度分別為每秒0.4m，且Z 軸方向為每秒-1m，共計在運行中消耗了6s，其示意圖（圖2）。經(jīng)過有限元分析軟件的應用，即可從中準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)值設置仿真模型。第一組是在上山5°的工況下，對應3 個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 個工況對應的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，對輸送機運行速度予以調(diào)整，以期在現(xiàn)實場景中保持穩(wěn)態(tài)運行。

圖2 仿真設計運動力變化

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，即可有效預防鏈條故障。首先，在ANSYS 軟件輔助下，結合輸送機鏈條形態(tài)建模。此時可以假設某輸送機鏈條泊松比為0.3，密度為7.8×10-9t/mm3，采用網(wǎng)格劃分法建模。其次，為輸送機鏈條設計約束條件。一般情況下，鏈條受力規(guī)律多受鏈條強度影響。根據(jù)相關調(diào)查，在分析鏈條受力位置時，與鏈輪直接相連的鏈條，其應力較大。經(jīng)過目標函數(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)過對輸送機鏈條接觸面積的控制，規(guī)避磨損風險。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，最終通過對等效應力的調(diào)控對鏈條應力加以優(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行仿真設計，繼而在仿真模型中，驗證最適合現(xiàn)實運行條件的參數(shù)值。其中，關于鏈條有限元模型的建立，常按照以下順序予以設計：①參照實體輸送機，對構件形狀進行離散劃分，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)剛性體構件特征實施柔性處理，之后予以替換，實現(xiàn)柔性體與剛性體的合理轉(zhuǎn)換。③以ANSYS 于有限元軟件設定各項參數(shù)，經(jīng)過模態(tài)計算后即可制成仿真模型，從中分析不同工況下的運行動態(tài)。

3 結語

綜上所述，礦山刮板輸送機常見故障多以減速器、電動機、鏈條故障為主。為了切實優(yōu)化設備性能，提高輸送效率，可從實踐應用層面上，為其設計在線監(jiān)測方案、推行精細化檢修模式、準確查明故障起因、建立仿真模型，確保設備故障得到妥善處理，為工業(yè)礦山輸送項目順利實施給予保障，符合安全運行要求。