煤矿带式输送机滚筒失效故障分析

曹英杰

(大同煤矿集团马道头煤业有限公司)

带式输送机最早出现在160多年以前，早期带式输送机结构简单、加工工艺较为粗糙，设备效率和可靠性受加工、制造水平制约。随着工业的发展，机械制造产业呈规模化扩大，带式输送机标准化、正规化，设计、制造水平迅速提高[1]。相比其他运输方式，带式输送机输送效率较高，能够实现连续装载、连续运输，特别适用于将矿石、煤炭及其他需要大量连续运输的物料不间断地送往目的地。同时，带式输送机具有结构简单、易加工和维护、噪音低的优点，能够进行水平和倾斜输送，广泛应用于煤炭生产运输中[2]。

煤矿生产普遍使用带式输送机进行物料转运，实现煤矿井下煤炭的连续运输。带式输送机可沿设定线路固定运行，运转稳定、速度均匀、承载量大，为高效生产发挥重要作用。带式输送机在使用过程中不可避免地产生各类不同故障，甚至导致设备停运[3]。维修周期过长时，会直接影响矿井持续生产和经济效益，甚至酿成安全生产事故，对周围工作人员造成伤害，造成不良社会影响。滚筒是煤矿带式输送机的关键部件，其失效对带式输送机的正常运行影响很大，因此分析带式输送机滚筒故障意义重大。

1 带式输送机滚筒

煤矿带式输送机滚筒由滚筒轴、轴承座、轮毂、辐板、筒壳等配件构成，根据功能划分为传动滚筒和改向滚筒。常规传动滚筒为光面滚筒设计，为满足煤矿物料长距离的运输需要，使用带式输送机传动滚筒改为胶面滚筒[4]。相比普通光面滚筒，胶面滚筒起动力传递性能更加出色；胶面滚筒可根据作业内容需要进行运输机输送线路的调整，同时可以起到增加传动滚筒围包角的作用。相比普通输送机，煤矿带式输送机通过胀套连接滚筒与轴，相比键连接能够承受更大的扭矩作用，且不易磨损、破坏。

2 滚筒失效形式与原因

(1)滚筒体包胶磨损。输送机运转过程中滚筒圆周力增加至允许上限后，运输皮带会沿驱动力反方向发生微弱的相对运动，即伸长滑移。运输皮带与滚筒间存在蠕变现象时会增加两者间的磨损，损坏滚筒包胶。运输机运转回程附着的细小物料运行到滚筒与胶带之间时，也同样产生磨损。

(2)滚筒体压裂开焊。配件焊接处与材质本身力学性能存在差距，长期超载会产生很大的应力作用。加工过程中焊接存在问题时，应力作用更加明显，如缺焊、少焊、焊接温度过高、冷却不均等缺陷，运行一定时间后，输送机滚筒体表焊接处会出现压裂开焊。

(3)滚筒轴损坏。滚筒轴损坏也是滚筒主要的失效原因之一，涉及到设计、加工、安装等环节。原因有：滚筒设计过程中选择的滚筒轴结构尺寸偏小，与滚筒的装配间隙过大；滚筒轴材质强度、硬度较低，不能满足使用需要；滚筒轴在加工成型过程中，热处理工艺存在问题；滚筒轴由于设计或加工问题使圆角半径过小，导致应力集中；安装过程中主、从动滚筒中心线不平行。

(4)滚筒轴承座损坏。造成滚筒轴承座故障的主要因素有：运输超载，线路运行停车、启动频繁；运输线路坡度过大，设备易超载；安装过程滚筒轴线与轴承座中心线不对齐，不平行；设备运转过程中轴承与轴承座间有异物。

通过分析煤矿带式输送机滚筒失效形式与原因，建立分析模型开展事故树分析，对煤矿带式输送机滚筒的可靠性、故障原因等进行定性和定量分析。

3 滚筒故障树分析

3.1 故障树概述

故障树分析法是可靠性理论中重要的分析方法之一，该方法以可靠性理论为指导，逻辑清晰、条理清楚、结构准确。事件中需要确定各级因素间所引发的失效问题机理，理清逻辑关系，逐级开展分析，查找引发顶上事件的根本原因。通过故障树分析，可以清晰、直观了解故障树中失效事件产生的根本因素，查找设备运转中的不安全隐患，维护设备正常运转，为设备设计、加工、维护提供指导。另外，故障树通过逻辑符号将各关联事件相互联接，作为定性、定量分析的基础，通过数理统计方法处理统计的各类数据，应用可靠性理论研究被分析事件的失效机理。

3.2 建立滚筒故障树

根据煤矿带式输送机滚筒故障类型和故障原因分析，建立图1所示的故障树，相关参数说明见表1。

图1 煤矿带式输送机滚筒失效故障树表1 煤矿带式输送机滚筒失效故障树参数说明

编号含义编号含义概率编号含义编号含义概率A1滚筒包胶磨损A2滚筒压裂M1蹿轴故障x1输送带变形0.015x2输送带张力过大0.012x3输送带与滚筒包角过大0.070x4皮带有残余物料0.012x5包胶材料质量问题0.012x6开焊0.030x7焊接质量问题0.020x15滚筒轴线与轴承座中心线不垂直0.020x16轴承锁固安装问题0.020x17轴承中有异物0.020A3滚筒轴损坏A4滚筒轴承座问题x8滚筒轴结构设计问题0.012x9轴材料问题0.012x10滚筒轴的热处理工艺差0.025x11滚筒轴的圆角半径小0.015x12主从动滚筒中心线不平行0.025x13重载负荷频繁启停0.015x14输送线路坡度大,超载0.015

3.3 故障树的定性分析

故障树的定性分析就是对故障树各个因素进行逻辑运算，求得最小割集，同时最小割集可以为故障树的定量计算提供依据。

根据图1逻辑关系，进行布尔代数运算可得：

T=A1+A2+A3+A4=x1+x2+… +x16+x17,

(1)

因此，根据计算结果可知，故障树最小割集共有17个，分别为{x1}，{x2}…{x17}。

3.4 故障树的定量计算

在图1故障树中，各个因素之间的逻辑关系均为“或”，因此顶事件的概率计算公式：

(2)

因此顶事件概率的计算公式为：

P=1-(1-P1)(1-P2)…(1-P17) .

(3)

根据式(3)公式，结合表1中各个因素概率，可以求得顶事件发生的概率为29.9%。因此，系统可靠性较低。

3.5 分析结果讨论

(1)从定性分析结果可以看出，在带式输送机滚筒故障中，每一个底事件的重要度相同，都可能造成事故发生。因此需要每一个因素都引起重视，加强日常巡检力度。

(2)从定量分析可以看出，顶事件概率的大小可以通过各个因素的发生概率求得。

4 结 论

煤矿带式输送机滚筒体包胶磨损、压裂开焊、滚筒轴损坏、滚筒轴承座损坏是煤矿带式输送机滚筒的常见故障，并对相应的故障原因进行分析。基于故障树分析法建立了有17个底事件，6个逻辑“或”门组成的故障树，通过布尔运算发现共有17个割集，每个割集中包含一个因素，因此每一个因素都可能造成滚筒故障，且整体可靠性较低，滚筒故障发生率高达29.9%，因此煤矿带式输送机滚筒故障排查应加大力度，兼顾到每一个因素。