刮板输送机断链事故分析及断链保护装置研究

赵利锋

(山西焦煤汾西矿业 两渡煤业公司，山西 灵石 031302)

刮板输送机一般布置在煤矿井下的采煤工作面、综掘工作面等位置[1-2]，若刮板输送机出现故障会导致生产停滞[3]。在生产过程中，刮板链断链、掉链是最为常见的故障类型。当刮板链断链时，在下链的牵引力作用下，断链会在槽底或机头等位置堆积，增加刮板链链轮载荷[4]，若不能及时发现故障，会造成断链位置处间距增加、链条堆积，需要耗费大量的人力、时间完成接链、拖链工作，严重时还会给刮板输送机造成严重损坏，缩短设备使用寿命。

1 刮板输送机断链原因分析

1.1 断裂类型

1) 强力断链。强力断链经常出现在链环弯曲部分、焊缝影响区以及焊接对口位置，当刮板链受到的冲击力大于刮板链自身破断载荷时，即会出现强力断链故障，断口呈现脆性断裂形式。

2) 疲劳断裂。虽然刮板链受到的作用力小于其破断载荷，但刮板链长时间受到脉冲载荷作用，会出现疲劳破坏。断口多发生在直线部分连接位置以及链环弯曲位置。

3) 混合断裂。刮板链在冲击力以及脉冲载荷长时间、共同作用下出现破断现象，在断口位置有明显的塑形变形区且断裂口位置凹凸不平。具体刮板链断裂发生位置见图1。

图1 刮板链破断位置示意

1.2 断裂原因

煤、矸石等物料通过机头齿轮转动带动刮板链、刮板、从动轮运转从而实现槽体内物料运输。在井下使用过程中刮板链断链主要原因有：

1) 刮板输送机铺设弯度过大。刮板输送机铺设位置有一定弯度时，具体刮板链分布形式见图2。从图中看出，在弯曲弧度影响下，刮板链外侧较内侧长，刮板链受到载荷集中在外侧刮板链上，从而容易导致外侧刮板链断链。

图2 刮板输送机弯曲铺设刮板链分布形式

2) 链环缺少连接螺栓。当连接螺栓松动、丢失时，链环受力状态由弧形静不定量转变成一侧受力的悬臂梁，具体圆环受力情况见图3。连接环需要承受拉应力、弯曲应力叠加作用，在链环上危险截面上受力可通过下式计算。

图3 圆环受力示意

式中：Q为链环受到的拉应力，kN；F为链环危险截面(I位置)断面积，cm2；M为链环危险截面受到的弯矩，N·m；W为连接环在危险截面(I位置)断面系数，cm3。

以SWG-40T刮板输送机为例，该刮板输送机电动机功率为40 kW、转速为1 470 r/min、传动系数为0.85。当链环缺少螺栓连接时，采用上述公式对链环受力进行分析，其中：Q=44.4 kN、M=666 N·m、W=63.673 cm3、F=2.838 cm2。经计算求得∂ =16 691 N/cm2，链环破断载荷为8 000 N/cm2，因此当无连接螺栓时链环更容易断裂。

3) 刮板链跳链。跳链是指刮板链环从刮板输送机机头链轮上脱落。跳链故障发生后刮板链环会在链轮齿、机头轴上产生额外的冲击力，容易引起刮板链断裂。常见的跳链故障处理方式是在机头轮齿处增加垫板。

4) 链环锈蚀。在煤矿井下含有强腐蚀性气体以及液体，刮板输送机刮板链本身防护性较差，当与腐蚀性物质接触时会造成链环锈蚀、脱皮问题，不仅减小链环强度，而且增加断链概率。

5) 动载荷。刮板输送机正常运行过程中刮板链受到的作用力呈周期性变化，机头位置受到大块矸石、煤炭冲击作用明显，从而导致刮板链长期受到动载荷以及疲劳应力影响。在实际生产过程中，动载荷具有突发性特点，会给刮板链较大的冲击，从而引发刮板链断裂；在疲劳应力作用下刮板链会出现较大变形，也会导致刮板链断裂。

6) 强冲击力。在刮板输送机运行过程中，刮板链对口焊接位置、链环弯曲位置以及焊缝热影响区内会受到刮板链运行时以及运输物料的强冲击作用，当冲击力超过刮板链自身静态破断载荷时，便会出现刮板链断裂事故。

2 刮板链断链保护装置设计

现阶段最常用的刮板输送机断链保护装置与带式输送机胶带断裂保护装置类似，即在机尾从动轮位置布置接近开关，通过实时检测从动轮运行情况判定刮板链是否出现断链事故[6-7]。当刮板链断链后，从动轮由于失去动力会失速，保护装置会发出故障指令停止刮板输送机运转。上述安全保护装置对刮板链两条链同时断链时的恶性事故起到保护作用，但无法对刮板链单侧断链、错链以及掉道等故障进行预警保护。

鉴于刮板输送机断链保护装置存在功能不足的问题，笔者在对井下使用的多台带式输送机刮板链在使用过程中经常出现断链故障分析的基础上，除制定常规的管理、防锈措施之外，对刮板链断链瞬间运行状态进行分析，设计了一种刮板输送机断链保护装置，该保护装置可实现对刮板输送机断链事故的有效检测，在发现刮板链断链瞬间即可发出安全预警信息，便于现场人员及时处理[8]。

2.1 装置结构

刮板链断链检测装置结构见图4。其中弧形检测片厚度为1.5～2.0 mm、材质为铁质导磁材料，邻近的两个检测片间距为2.0～3.0 mm。采用的接近开关测量范围为15 mm。摆杆宽度、长度等由刮板输送机宽度、安装高度确定。检测装置采用轴承装备，并固定于刮板机机头过渡板后约300～350 mm位置。

图4 刮板链断链检测装置结构

2.2 工作原理

刮板输送机正常运行时，检测装置两侧摆杆随着链条、刮刀同步摆动，并带动两个检测片绕着轴承往返运动。通过调整弧形检测片宽度，使得检测片摆幅最大时接近开关检测范围之外，即摆幅最大在15 mm以上，确保检测信号在1个检测周期内(耗时约1.5 s)存在明显断点。当刮板输送机出现单侧断链或者错链时，刮板输送机刮刀两侧出现一定倾斜后两侧摆杆不能同步转动，且随着刮板倾斜度增加，两侧摆杆间夹角加大，检测片间相对位移也逐渐增加。当相对位移超过接近开关检测范围后，在检测周期内即会出现检测信号断点，当持续时间超过3 s时即认为刮板输送机出现断链事故，检测装置会报警并切断刮板输送机供电回路，从而实现刮板输送机断链检测，避免断链事故扩大。

保护装置结构包括接近开关、中间继电器以及延时继电器等构成微型监控保护系统，依靠组态输出预警及保护信号。通过安全联锁、延时保护可降低保护装置误动作概率，延时时间可根据刮板输送机运行速度确定，文中取值为3 s。在检测过程中测点会受到振动等影响轻微抖动，时间一般在1 s以内，不会触发保护系统动作。

2.3 应用效果

结合某矿井下布置的6台刮板输送机应用情况，单台刮板输送机月均断链3次，每次影响生产时间约为2 h，全年影响生产时间约为72 h，相当于每年有3 d生产由于刮板输送机断链事故被迫中断。

采用刮板输送机断链保护装置后，可及时发现刮板输送机断链，预计单台刮板输送机每年可节省设备维护费用约6万元，6台刮板输送机断链保护装置材料、加工费用共计约1.3万元，年可减少生产投入约34.7万元。由此可见，断链保护装置可以提高井下刮板输送机运行保障能力，而且经济效益显著。

3 结 语

断链是刮板输送机使用过程中常见事故类型，文中提出的刮板输送机断链保护装置结构简单，在后续使用过程中无需单独进行保养、维护，且矿井自己可加工制作，单台设备成本仅为2 200元，进行现场实践后取得了显著的应用成果。