矿用刮板输送机是综采工作面重要的设备之一^[1], 刮板输送机的好坏直接影响着综采工作面生产效率, 又特别是在采煤过程中, 随着煤量和煤块大小的变化, 刮板输送机链条所受张紧力也在不断变化着, 有可能造成链条局部过紧或者局部过松的情况, 进而给刮板输送机稳定运行带来不确定影响, 严重时会造成断链、掉链事故发生, 严重阻碍运煤环节。因此, 为了提高刮板输送机稳定、安全运行, 论文研究实时自动监控刮板输送机链条张紧力技术, 提出刮板链故障维护措施, 这对实现综采工作顺利进行和提高矿井安全、高效生产具有重要意义。

矿用刮板输送机链条实物如图1所示。刮板输送机在工作面运输当中, 链条张紧力会随着刮板运送煤量或者煤块大小而不断变化, 受瞬时载荷作用影响, 有可能链条局部或者整个链条松紧程度超过设计的极限^[2], 这是极不安全的, 带来断链、掉链等严重后果。在运煤过程中, 链条松紧度会对刮板输送机的稳定运行产生影响, 若刮板输送机链条过松, 链条容易在机头链轮或者机尾链轮等分离点出现掉链, 掉落的链条相应在分离点处堆积, 对链轮造成极大的冲击、振动载荷作用, 进而引起恶心循环, 造成链条断裂、卡链等故障事故;若刮板输送机链条过紧, 链条、链轮、刮板输送机中部槽三者之间摩擦阻力显著增加, 相应造成刮板输送机的功率增大, 但是能耗也会增大, 相关零部件磨损程度大为增大^[3,4]。对刮板输送机链条故障种类以及造成这些故障的原因进行总结, 见表1。

为确保刮板输送机在综采工作面正常运煤, 根据刮板链张紧力力学特性, 采用圆环链与链轮正常啮合, 目的是阻止链环与链轮在分离点发生堆积或者出现悬垂过大而造成的冲击、振动, 因此在刮板输送机使用之前给链条增加一定大小的预紧力^[5]。为了不影响刮板输送机稳定运转, 需要给链条施加合宜的预紧力, 因为, 预紧力过大, 反而会增加链条与链轮之间的摩擦力, 导致磨损严重、链环节距减少, 当然链条和链轮的使用寿命也会缩短;如果预紧力给太小, 链条容易在分离点发生堆积, 导致掉链等故障。

在分析刮板输送机链条预紧力时, 为了便于分析刮板输送机链条受力状况, 将其简化为理想的弹性体^[6], 如图2所示。图中虚线所围区域表示刮板输送机静止时所受张力, 实线所围区域表示刮板输送机运动状态所受的张力, S₁表示刮板输送机在额定负载作用下链条与机尾链轮的啮合位置所受张力, S₂表示刮板输送机在额定负载作用下链条与机尾链轮的分离位置所受张力, S₃表示刮板输送机在额定负载作用下链条与机头链轮的啮合位置所受张力, S₄表示刮板输送机在额定负载作用下链条与机头链轮的分离位置所受张力。

为了良好控制刮板输送机链条的张紧力, 需要实时在线自动监控张紧力大小, 论文简单介绍两张自动监控张紧力技术, 即微应变监控合滑模控制监控。微应变监控技术是利用应变片微小变形来获取张力变化, 如图3所示, 在刮板输送机刮板连接的链环上安设应变片, 刮板中辅助安装可以处理电路、无线接收和发送的模块以及电源, 在刮板输送机运行过程中, 可以根据应变片变形测得张力大小。

应变片是由半导体或者金属导体材质制作, 在作用力下, 应变片的长度发生改变, 根据物理学知识[7]可以得出应变片电阻值R与应变片长度l的关系表达式:

式中:R为电阻值, Ω;ρ为电阻率, Ω.m;l为长度, mm;S为横截面面积, m²。

根据上述公式可以看出, 所测张力变化主要是通过测应变片电阻值转换得到。采用微应变自动监控链条张紧力, 优势在与链环上安设应变片, 监测精度高, 占用空间小, 而且只要链条发生形变立刻就能测出链条张紧力变化。

基于滑模控制监控刮板输送机链条张紧力的原理如图4所示, 图中V_D代表刮板输送机链轮运行速度。在整个系统安设有传感器, 传感器可以测量链条的真实张力值S_A和S_B, 在滑模控制中对其进行分析和预判处理, 信号比较器I将分析和处理后的期望值作比较, 就得到了张力偏差值ΔS_A和ΔS_B, 紧接着信号比较器II再对张力偏差值进行判定, 查看二者是否超越误差允许值ΔS, 得出激发信号e A和e B发送至控制器中, 刮板输送机的机尾液压油缸A、B根据激发信号e A和e B做出伸缩反应, 液压油缸伸长 (或收缩) 量分别用X_A、X_B表示, 这便是滑模控制技术自动监控链条张力的整个过程, 进而实现自动调节刮板输送机链条松紧度。

1) 断链预防方法。开启刮板输送机之前应当检查链条松紧度, 将链条调节到合适的松紧程度;决不允许强制启动刮板输送机;在运行过程中回空链不允许带有杂物或者回料;及时更换变形严重或者磨损超过限度的链条;链条与链轮连接的连接环所用螺栓必须牢牢紧固, 一旦在运转过程中发生异常需要立即停机检查。

2) 飘链处理方法。刮板输送机发生飘链故障时, 首先应停止运送物料, 接着用垫木把刮板机中部垫起, 检查刮板输送机的中部等凹处位置。

3) 掉链处理。若刮板输送机发生两条链掉落, 使用专用装置将刮板链条回上链轮。若出现一根链条掉落, 采用链条对称位置, 用硬木支撑, 开启刮板输送机, 上掉落的链条, 上链的过程中人员一定要站在安全地方, 因为有可能木棍弹出扎伤人。

4) 刮板链底链出槽改善措施。为了防止刮板输送机底链出槽, 在开机之前检查刮板减速机是否平整, 务必保证两条链长度一致, 不能出现链条节距偏短情形。在维护的时候一定要按照安全规程来进行处理, 不允许在底槽掉链情形下, 随意处理, 因为此种情况有可能出现卡链造成电机超负荷运行, 机尾被拉翻, 致使人员伤亡。在刮板输送机运行期间, 充分利用自动监控技术调整链条张紧力, 确保刮板输送机安全、稳定运行。对刮板输送机链条维护、预防、改善后, 应用于采面工作面。

矿用刮板输送机是综采工作面中重要设备之一, 链条因为张紧力变化而发生故障。为了提高刮板输送机稳定性和安全性, 论文对链条张紧力自动监控技术进行了研究, 并提出了维护刮板链措施: (1) 为了防止刮板输送机链环与链轮在分离点发生堆积或者出现悬垂过大而造成的冲击、振动, 使用之前给链条增加一定大小的预紧力。刮板输送机在运行过程中, 链条主要有断链、飘链、掉链和底链出槽四种故障。 (2) 为了调节链条预紧力, 需要实时在线自动监控刮板输送机链条张紧力, 论文介绍了微应变监控技术和滑模控制监控技术。 (3) 针对刮板输送机断链、飘链、掉链和底链出槽故障, 分别提出了相应改善链条措施, 自动监控链条张紧力并根据需要对链条松紧度进行调节, 有效的确保了刮板输送机正常运行。