矿山刮板输送机常见故障的分析与处理探讨

2022-05-25王晓飞

大科技 2022年20期

关键词：减速器刮板链条

王晓飞

（中煤张家口煤矿机械有限责任公司，河北张家口 076250）

0 引言

结合国家统计局公布的相关数据：截至2021 年，我国已完成3.8 亿t 原煤开采任务，同比增长7.2%。随着采煤量的提高，合理运煤已成为工业领域发展重心。作为工业专用输送设备，刮板输送机能够在矿井作业中给予协助输送服务。

1 矿山刮板输送机常见故障

矿山刮板输送机多见链条故障、电动机故障以及减速器故障等。有41.5%输送工作受链条断裂故障影响。设备类型不同，链条故障发生频率也有差异。对比LM500 型设备（美国生产）、80T 设备（国产）、MSD 型设备（日本生产）时，以原煤输送量（H）为对比依据，三种刮板输送机链条故障风险由低到高分别为国产（H＞1.5万t）＞美国生产（H＞5 万t）＞日本生产（H＞8 万t）。通常以更换链条部件为主要措施，维修时间至少有3h，会直接导致400 万t 原煤延期出产[1]；此外，跳链也是刮板输送机链条故障类型之一。刮板输送机作业强度较大，且需长时间保持运行状态，极易使刮板机链轮磨损，还会引发刮板缺失、变形等问题。存有故障隐患的设备应用于矿山生产中，会出现链轮轮齿与链条咬合度不高或轮齿位置不对称等问题，从而出现跳链现象；常源于机械损伤、电气异常、受潮、过热因素引发电动机故障。在使用矿山刮板输送机期间，若电动机在设备运行期间出现了电解液泄漏或是螺丝松动、劣质润滑油、油量供应不足等情况时，均会引起机械损伤。电气异常引起的电动机故障问题，也被称为电机烧毁故障。多见于定子绕组短路、高低压连接异常、绝缘层性能下降。电机设置的作用是将电能转化为刮板输送机运行动能，随着运行时间的延长，刮板输送机的运行负荷会加重，电机在高负荷下长时间运作会产生瞬间冲击电流。这种瞬间冲击电流会引发电机内部绕组弧光短路、砸圈短路等问题，最终导致电机烧毁；此外，从设备运行声音、触感，亦可见到减速器故障。笔者在遇到设备故障问题时，听到减速器内部存在“砰砰”响声，触摸减速器发烫[2-3]；溜槽磨损。刮板输送机运作过程中，若存在刮板安装不合理、物料超重、刮板与输送机间隙过小、溜槽对接不合理、输送机频繁启停等问题，均会增大溜槽破损、弯曲、变形等风险，根据溜槽磨损表现形式的不同，又可将溜槽磨损故障细分为四类即疲劳磨损、腐蚀磨损、黏着磨损以及磨料磨损。可使用尼龙新型复合材料制作溜槽，以此降低磨损系数与噪声，规避溜槽磨损故障的发生。

2 矿山刮板输送机故障处理实践路径

2.1 设计链条张力在线监测方案

在切实处理矿山刮板输送机链条故障时，通过汇总排障工作经验，借鉴学者张行等人的研究成果，以有限元分析软件达到在线监测的目的[4]。

第一步，在对链条结构加以优化改造时，应当先行确定监测位置，对链条的五个孔位实施在线监测；第二步，在确定监测范围后，需要安装应变传感器，作为能够采集张力数据的辅助设施，传感器可以按照（图1）所示的安装步骤，完成安装任务，其相关参数的设定，从实际研究中总结得出：要求电阻值为120Ω，灵敏系数为2.1，且电阻值偏差在±0.5Ω 以内。另外，在安装期间，也要同步打孔作业，为应变传感器线路的连接创造便捷渠道。随着张力数据的精准采集，能够在数据传输中掌握链条动态；第三步，在实现数据实时传输功能时，还需要设计无线通讯系统，该系统可直接同传感器连接。此系统可选用具备环保性的膨胀石墨锂电池，以A/D 转换模式为主，选用DH5908 采集器，而后按照数据采集→无线传输→无线AP→以太网传输→界面展示等顺序依次提交张力监测数据。此外，于在线监测方案设计期间，还可以利用有限元软件，对链条张力变化情况进行实时分析，其中可以根据自动网格划分的形式，将实体链条转化为虚拟网格，从中验证链条强度。经过对相关数据的整合处理，刮板输送机链条选用的是材质密度7.85×10-6kg/mm3，0.25 泊松比，211GPa 弹性模量的链条，经软件分析后得出应力值为803MPa，比原有材料强度极限值小367MPa，确定此链条尚未达到疲劳极限，依然可以在物料输送中保持常态。

图1 应变传感器安装样式

2.2 实现电动机故障精细化检修

电动机故障在实际处理期间，根据市面上主要用于运输煤泥的ZXCZ300 型刮板输送机检修结果，该设备每小时能够运输60t 煤泥，其功率为45kW（电动机），电压为380V。在常规输送作业中，笔者在观察此设备运行状态时，发现电动机存在异响，且该设备处于长期运行状态。处理电动机故障时，检修人员应当先行对电动机进行测温操作，若出现过热现象，即可判定电动机在高负荷运行下存在散热不达标问题。精细化管理应做好安全管理工作。

（1）检修人员应在确定属于电动机故障后，对电动机连接的线路以及螺丝进行细致检查。待确定无误后，即可对电动机的完整度以及是否存在漏油情况实施全方位检测。检修人员可以通过测量轴瓦与轴颈间距，或是使用日本生产的RION 振动测量仪确定振动幅度，掌控电动机机械运动规律的达标率。

（2）面对因润滑油质量问题引起的故障后果，应从市场上选出性价比偏优的润滑油。从多类别润滑油对比中，可推断出适宜使用在刮板输送机润滑场景中的润滑油，其凝点与外界环境温度至少形成10℃温差，且以抗乳化、抗腐蚀润滑油为主，以免在复杂工况下，造成润滑油润滑性下降。

2.3 查明减速器故障起因加以修复

减速器故障在实际处理时，应当根据不同故障原因确定修复方案。因减速器故障诱发原因复杂，故此在妥善处理该故障时，要求维修人员以故障起因细化处理计划。

（1）在检修工作中听到异响，且异响来源于减速器，先行从齿轮咬和度上判定是否存在故障。根据声音差异判定故障原因。即“连续砰砰声”，掺杂着碰撞声，代表齿轮磨损度较大。若为“规律性砰砰声”，即为齿轮脱落。而发出“强烈且持续的响声”，则考虑减速器轴承异常。此时，维修人员可以开启减速器上盖，查明声音来源。

（2）排障中认定属于高油温、漏油引起的减速器故障。维修人员应在油标尺辅助下测定机油余量，对于低油位减速器，应及时补充机油。若肉眼观察出现机油泄露，则逐一排查机头等部分的密封性，给予密封胶予以填充加固处理。

（3）人为因素引起的故障，应通过职业培训、业务指导等实践活动，提升维修人员、操作人员的职业技能，以权威资质降低人为失误率，以期在多项举措指引下，有效应对减速器故障风险，并做好事后修复工作。

2.4 建立离散元刚散耦合仿真模型

在建模时，可以从不同工况运行视角确定耦合模型。模型①为15°上下山工况；模型②是不同物料条件的工况，模型③即为倾斜运输环境下的工况。经三个不同场景得比对结果，可以分析得出：仿真设计具有可行性。以模型②为例进行阐述，假设在仿真设计中，煤料可以实现200kg/s 的运输状态，随着运输量的增加，将运输量设定为自变量，确定在300kg/s 与400kg/s 运输量下刮板输送机的故障率是否存在差异，自此判断运输量的控制也是预防故障的重要途径。若过量运输物料，将引起设备高负荷运行。因此，可以依据设备参数求取最佳运输量，合理安排运输时间。

根据不同工况条件采用有限元分析法，对仿真模型进行综合分析，还需要设置对应的参数，由此提升仿真设计实效性。以模型①为主进行深度研究。在上下山工况中，将倾角保持在20°左右，侧重于下山条件的模拟演练。其中上山需在0°～5°之间，下山则在5°～15°之间。基于仿真模型，可以先行将矿山刮板输送机上煤料的运行速度保持在200kg/s 左右，此时假设在仿真模型模拟运行中煤料颗粒横纵方向初始速度分别为每秒0.4m，且Z 轴方向为每秒-1m，共计在运行中消耗了6s，其示意图（图2）。经过有限元分析软件的应用，即可从中准确把控仿真模型中重力加速度的分量变化情况。其中可按照下述参数值设置仿真模型。第一组是在上山5°的工况下，对应3 个轴向重力加速度各自为0m/s2、-9.77m/s2、-0.85m/s2，而上山0°工况下，仅有Z 轴产生重力加速度分量为-9.81m/s2，而后研究下山条件下的3 个工况对应的Y 分量、Z 分量重力加速度各自为（0，-9.77，-0.85）m/s2、（0，-9.66，1.70）m/s2、（0，2.54，-9.48）m/s2。经过对仿真组别的分析，能够在力的作用下，对输送机运行速度予以调整，以期在现实场景中保持稳态运行。

图2 仿真设计运动力变化

此外，在有限元分析中还可以专门针对上述提到的链条故障，建立有限元模型，以此经过仿真分析后，即可有效预防链条故障。首先，在ANSYS 软件辅助下，结合输送机链条形态建模。此时可以假设某输送机链条泊松比为0.3，密度为7.8×10-9t/mm3，采用网格划分法建模。其次，为输送机链条设计约束条件。一般情况下，链条受力规律多受链条强度影响。根据相关调查，在分析链条受力位置时，与链轮直接相连的链条，其应力较大。经过目标函数对链条尺寸的分析，能够在不同形态下，求取最小值，而后经过对输送机链条接触面积的控制，规避磨损风险。其中还可以在零阶方法作用下，不断对链条尺寸予以优化处理，最终通过对等效应力的调控对链条应力加以优化。最后，可以从有限元模型的仿真分析中，对链条尺寸提出优化对策，而且还能尽量缩小轮齿的尺寸，随之降低等效应力，促使链条保持均匀受力状态。基于此，以有限元分析软件，对链条受力情况以及物料接触面积进行仿真设计，继而在仿真模型中，验证最适合现实运行条件的参数值。其中，关于链条有限元模型的建立，常按照以下顺序予以设计：①参照实体输送机，对构件形状进行离散划分，而后获取小型刚性体，并在模拟操作中，将其转化为柔性体。②在有限元软件中选取柔性体模块，并根据刚性体构件特征实施柔性处理，之后予以替换，实现柔性体与刚性体的合理转换。③以ANSYS 于有限元软件设定各项参数，经过模态计算后即可制成仿真模型，从中分析不同工况下的运行动态。