刮板运输机断链保护装置设计应用

任晓峰

（山西煤炭运销集团泰山隆安煤业有限公司，山西 保德 036600）

刮板运输机主要用于煤矿井下采煤工作面和掘进工作面，担负着工作面煤矸运输工作，当刮板运输机发生故障时将会导致工作面停产[1-2]。当刮板运输机在运行过程中发生断链事故时，断链在电机牵引力带动下将会在刮板运输机机头、机尾或底槽内堆积，从而增加了机头机尾链轮载荷，若不能及时发现故障停机处理，断链位置处将会槽体间距增大、链条堆积交缠，处理断链时将会投入大量的人力和耗费较长时间，情况严重时还会损坏刮板运输机电机、减速器、分链器、链轮等设备，缩短刮板运输机上各设备的使用寿命。

1 刮板运输机常见断链原因分析

1.1 断链类型

（1）强力破坏断裂

当刮板运输机在运行过程中刮板链链环受到的冲击载荷大于其自身的破断载荷时[3-4]，刮板链链环将会发生断裂，从而造成断链事故，此时链环断裂处的断口呈现出的是脆性断裂形式，刮板链出现强力断裂时多发生在链环弯曲部位、焊接对口位置和焊缝影响部位。

（2）疲劳破坏断裂

刮板链在使用过程中频繁受到脉冲载荷作用，虽脉冲载荷作用力小于链环的破断载荷力，但因链环长时间受力作用出现磨损，在运行过程中易发生疲劳破坏断裂。疲劳断裂断口多出现在链环直线段连接部位和链环弯曲部位。

（3）混合破坏断裂

刮板链因长时间在脉冲载荷和冲击力共同作用下发生破坏断裂现象[5]。破坏断裂位置处有明显的塑性变形区，同时断口处呈现凸凹不平。刮板链已发生断裂位置如图1。

图1 刮板链易断裂位置示意图

1.2 断链原因分析

对井下刮板运输机断链事故进行分析统计发现，刮板运输机在运行过程中造成断链的原因[6-7]主要有：

（1）刮板运输机弯曲弧度大、直线性差。刮板运输机在安装和使用过程中，由于受巷道变向形成一定弯曲弧度，因工程质量造成工作面煤壁未割直或推溜不到位时造成刮板运输机整体形成一定的弯曲弧度，此时刮板链的布置状态如图2。由图2中可以看出，当刮板运输机呈弯曲形状铺设时，刮板链的外侧链条呈张紧状态，长度比内侧链条长，刮板运输机在此状态下运行时，外侧链条受到的载荷力比内侧大，里外侧链条受力不均匀，外侧链条由于受力大容易造成断链。

图2 刮板运输机弯曲情况下刮板链布置状态

（2）链环连接螺栓不齐全或不完整。在刮板运输机运行过程中，由于受冲击力作用，链环连接螺栓容易松动、破损或丢失，此时会造成链环受力状态由原来的弧形静定量状态变成一侧受力的悬臂梁状态，链环受力情况如图3。在此种情况下链环要受到拉应力和弯曲应力共同叠加作用，链环易破断处截面上受力大小可用公式（1）进行计算：

图3 链环受力状态示意图

式中：∂为链环截面上受到的作用力，kN；Q为作用在链环上的拉应力，kN；F为链环易破断处（I处）截面积，cm2；M为链环易破断处弯矩，N·m；W为链环易破断处（I处）断面系数，cm3。

隆安煤业工作面使用的SGB420/40×2型刮板运输机电机功率为40 kW，当刮板运输机链环连接螺栓缺失后，利用公式（1）对链环受力情况进行计算分析，其中：Q=40 kN，M=628 N·m，W=64.622 cm3，F=2.968 cm2，可得∂=14 449 N/cm2。刮板链环的破断载荷为8500 N/cm2，由此可知当链环螺栓缺失后链环受到的作用力远远大于其破断载荷，因此更容易发生断链。

（3）刮板运输机跳链。跳链是指刮板运输机在运行过程中链条从刮板运输机机头或机尾链轮齿牙上脱落。当刮板链跳链后链环与链轮之间会产生较大的冲击力，从而造成链环断裂。

（4）链条锈蚀。工作面存在的气体和液体具有一定的腐蚀性，因刮板链本身防腐蚀性较差，当其长时间在该环境中暴露后容易出现生锈腐蚀，从而降低了链环的强度，增加了断链的几率。

（5）冲击力破坏。刮板运输机因担负着工作面煤矸运输工作，在生产过程中，工作面割出来的煤矸直接落入刮板链上，煤矸落下后形成的动载荷给刮板链造成冲击作用，特别是大块的煤矸对其造成的破坏性更大，刮板链长时间承受煤矸的动力载荷作用会产生磨损或变形，从而容易发生断链故障。

（6）操作不当。刮板运输机在运输物料过程中，当落入刮板运输机内的煤矸量过大，负荷较重时，若刮板运输机司机不及时停机清理煤矸强行开启时，刮板链在电机牵引力作用下承受的拉应力大于其破断载荷时也容易发生断链故障。

2 刮板运输机断链保护装置设计

针对上述常用刮板运输机断链保护装置存在不足之处，对井下多起刮板运输机运行过程中发生断链故障原因进行总结分析，设计制造一种新型刮板运输机断链保护装置。该断链保护装置能够对刮板链断链故障进行实时有效检测，刮板链发生断链事故瞬间就能够发出报警信号并停止刮板运输机运转，实现了对刮板运输机断链的实时保护作用。

2.1 断链保护装置基本结构

刮板运输机断链保护装置主要由弧形检测片、接近开关和摆杆等组成，如图4。弧形检测片采用铁质导磁材料加工而成，设计厚度为2～2.5 mm，与其相邻的两个检测片之间的间距约为2.5～3.5 mm。设计安装的接近开关检测区间范围为20 mm。摆杆的长度和宽度是依据刮板运输机的宽度和安装高度进行确定。保护装置利用轴承装备而成，安装在刮板运输机机头过渡板向后约400 mm位置。

图4 断链保护装置结构示意图

2.2 工作原理

刮板运输机在正常运行过程中，断链保护装置两侧的摆杆随着刮板运输机两侧链条和刮刀同步运行摆动，摆杆带动两个检测片围绕轴承进行来回往返运动。通过弧形检测片之间的宽度，使其摆动幅度在最大时能够到达接近开关检测区间范围以外，即最大摆动幅度超过20 mm，以此保证检测信号能够在1个检测循环周期（约用时2 s）内出现明显的间隔断点。当刮板运输机一侧刮板链发生断链、掉链或错链时，刮板运输机刮板两侧将会发生一定倾斜，此时保护装置两侧的摆杆将不会同步摆动，且随着刮板倾斜角度的增大，保护装置两侧的摆杆之间的夹角也会随之增大，两个检测片之间的相对位移量也会随之增加。当检测片之间的相对位移量大于接近开关的检测范围时，接近开关检测装置在1个检测周期内就会发生检测信号断点，当检测信号持续断点时间超过3 s后即判定刮板链发生断链故障，此时保护装置将会发出报警信号并立即切断刮板运输机供电线路停止运转，从而实现刮板运输机断链保护功能，避免了断链事故的进一步扩大。

断链保护装置中的监控保护系统由接近开关、延时继电器以及中间继电器等组成，通过组态输出报警信号和断电保护信号，同时利用安全连锁装置和延时保护装置可以减小保护装置发生误动作的概率。延时保护装置的时间可以根据工作面刮板运输机运行速度进行确定，延时时间设置为3 s。在保护装置对刮板运输机进行监测时测点会受到刮板机的振动影响产生一定的轻微抖动，当抖动时间小于1 s时，不会触动保护装置产生保护动作。

3 应用效果分析

结合隆安煤业井下安装使用的刮板运输机情况进行分析，该矿井下采掘工作面共计安装8部刮板运输机。据统计，单部刮板运输机平均每月发生3次断链事故，处理故障平均每次需用时2 h左右，单部刮板运输机因处理断链事故平均全年需要影响生产时间72 h，即每年有3 d时间因处理刮板运输机断链故障而被迫停止生产。

在工作面刮板运输机上安装断链保护装置后，能够及时检测出断链故障，发出警报并停机，避免了事故的扩大化，降低处理断链事故难度，一般在0.5 h内就能处理完毕，减少生产误时。同时，断链保护装置节约了设备维护费用，平均每部刮板运输机每年预计可减少5万元维修费用，而加工制造8台刮板运输机断链保护装置费用共计1.6万元，采用断链保护装置以后，8部刮板运输机每年可节约38.4万元设备维修费用。