刮板機鏈條張緊力自動監控技術的分析和發展趨勢

白海平

（山西臨縣華燁煤業有限公司，山西 呂梁 033000）

1 對刮板機運行過程中鏈條的故障分析

刮板機在運輸過程中，鏈條張緊力會隨著負載以及運輸時間的不同而不停變化，致使刮板鏈條的整段或者部分段張緊力與設計值有一定偏差。鏈條太松或是太緊都會影響刮板機正常工作。假如鏈條太松，會使機頭或者機尾鏈輪上的鏈條容易脫落，而且會在該地方造成鏈條的堆積，導致鏈輪受到沖撞，情況嚴重時會致使鏈條斷裂以及鏈條卡住。假如鏈條太緊，會造成鏈條和鏈輪以及中粗槽的摩擦變大，工作時阻力增大，不僅增大了刮板機功率消耗，而且也加快了相連機器的磨損。導致刮板機鏈條出現故障的主要原因有：

1）刮板機的材料質量以及工藝沒有達到標準，刮板機刮板、鏈條和接鏈環磨損嚴重。

2）刮板機運輸時載荷在不斷的變化以及綜采面的長短不一樣，刮板機在綜采面水平及豎直方向上的彎曲情況等。

3）礦井內環境惡劣，井下的水具有腐蝕性，導致鏈環產生銹疤、脫皮降低了強度。

4）井下操作人員在操作過程中不按正規步驟操作，刮板機停止工作后緊鏈或是換鏈導致鏈環節距不相等一級螺栓松動、斷裂和掉落等情況。

5）刮板機鏈條在運行的過程中會受到鏈輪給的壓力，以及煤塊給的沖擊力，造成鏈條鏈輪的使用壽命減少，影響鏈條張緊度。

2 對刮板機鏈條預緊力的分析

根據刮板機鏈條張緊力的特點，刮板機上通常使用圓環鏈和鏈輪嚙合。在運輸前對刮板機鏈條加一定的預緊力，用來防止鏈條受到的沖擊和振動。因為，如果預緊力過大，則會加大鏈條的摩擦力，從而加快鏈條與鏈輪的磨損，鏈環截距變小，導致其壽命減少。如果預緊力過小，則會造成鏈條的堆積，刮板機不能正常工作。所以，準確的計算出預緊力的值是十分有必要的。

圖1 刮板機鏈條張緊力示意圖

如圖1為刮板機鏈條的簡圖，圖中虛線代表鏈條停止運行時的理想張緊力，實線代表鏈條運行時的實際張緊力，S1、S2分別為額定載荷下機尾鏈輪鏈條嚙合點、分離點的張緊力，S3、S4分別為額定載荷下機頭鏈輪鏈條嚙合點、分離點的張緊力。

刮板機在工作的過程中，鏈條上各個鏈環間的張緊力成線性關系，由胡克定律得

式中：S（x）為鏈條某一點的張緊力；E為鏈條彈性模量；A1為鏈條橫截面積；2L為鏈條長度。

根據逐點計對算法可得：

由此可得，刮板機鏈條在額定載荷下運行時比靜止時伸長了ΔL，而ΔL會直接影響鏈條的張緊力。然后在刮板機開啟前或者是運輸一段時間后通過緊鏈器給鏈條加上一個預緊力SY，用以消除ΔL對鏈條的影響，從而使得鏈條最小點的張緊力值大于零。

在刮板機停止運轉時，假使對整個鏈條加大小不變的預緊力SY，在SY的作用下，長為2L的鏈條停機時伸長量為

為確保刮板機正常運行，則需要使得ΔL1=ΔL，因此可得：

3 刮板機鏈條張力的監測及控制技術

3.1 通過對懸垂量的分析來監測及控制鏈條張緊力

刮板機機頭鏈條的懸垂量能夠體現張緊力的大小，當鏈條下垂，與中部槽水平面的距離比較近，此時的鏈條張緊力小；當鏈條拉緊，與中部槽水平面的距離比較遠，此時鏈條張緊力大。所以，通過檢查機頭松邊鏈條下垂還是拉緊可得出鏈條張緊力的大小。

圖2 懸垂量坐標

圖2 是對鏈條懸垂量分析圖，其中點A和點B分別代表機頭鏈輪與過渡槽中板的接觸點和機頭鏈輪和鏈條的分離點，θ為直線AB和地面的夾角，弧AB為鏈條的懸垂線，畫直線MN，使其與直線AB平行且與弧AB相切于D點，然后以D點為原點建立直角坐標系。

設D點處的鏈條張緊力大小是SD，方向是D點的切線方向，其中SD的方向與x軸正方向的夾角是θ，水平方向上與D點相距x處的張緊力，如下：

式中：q為每米鏈條的質量；s為鏈條的長度。

當x=0，y=0時算出懸垂線的方程式：

因此可得直線AB的方程式：

通過上面的兩個方程式可得到鏈條的懸垂量：

通過式（9）可得，鏈條張緊力與懸垂量成反比。當測出懸垂量最大點的值時，可算出張緊力的值，因此必須先測定懸垂量的最大點的值。對式（9）求導，并且求導后等于0，可得：

通過式（11）可得：鏈條張緊力與懸垂量成反比，D點是懸垂量的最大值，因此，檢測機頭下面的鏈條的懸垂量可精準的算得張緊力值。

此方法較為簡單，但因工作場所的限制，傳感器的安裝的位置不理想，造成測量結果不精準。還有因載荷分布不均勻導致整個鏈條的受力不均勻，造成測出的鏈條懸垂量值，不能夠很快體現張緊力的實際值。

3.2 通過微應變來監測及控制鏈條張緊力

此技術主要是由應變片的形變來測得鏈條的張緊力。應變片安裝于刮板連接處的鏈環上，并且在刮板中安裝有處理電路、電源和無線收發模塊，如圖3所示。

制造應變片的材料通常采用半導體或者是金屬導體，通過式（12）可得，當給應變片施加一定的力時，其長度也會發生變化。

當x=0時，f取最大值：

圖3 張力應變片安裝

式中：l為應變片的長度；ρ為應變片的電阻率；A3為應變片的橫截面積。

所以，可由應變片電阻值的變化來獲得鏈條所受張緊力的變化。通過式（13）可得到應變片所受的張緊力。

式中：E2為應變片的彈性模量；R0為應變片的電阻值；k0為應變片的靈敏系數；ΔR為電阻變化值。

此技術是在鏈環上安裝上傳感器，用于檢測鏈條的形變，當鏈條出現形變時即可測量得到此處的鏈條張緊力值。但是當傳感器安裝的位置不對時，會導致傳感器的磨損或直接壞掉，使得所測出的精準度不高。

3.3 通過滑模控制來監測及控制鏈條張緊力

此技術是通過對當前鏈條進行受力分析，然后強行讓鏈條張緊力按預先規定好的滑模軌跡變化。

圖4 刮板機鏈條張緊力的自動監控原理

如圖4為刮板機鏈條張緊力的自動監測及控制原理圖，VD是刮板機鏈輪轉速。SA、SB是系統傳感器所測的實際張緊力值，經由信號分析及處理模塊進行分析處理，通過信號比較器I對SA、SB與預期值進行對比，將對比出偏差值ΔSA、ΔSB,然后通過信號比較器II對ΔSA和ΔSB分別與所允許的誤差值ΔS進行比較，看是否超過所允許誤差值，并且接收到激發信號eA和eB，然后由控制器來控制刮板機機尾部液壓油缸A、B伸長或是縮短XA、XB，以此對鏈條的松緊進行自動調節。

此技術的不足之處是：啟動階段不能對鏈條張緊力進行精準監控，主要應用在勻速運輸階段。因為刮板機啟動時段的電動機在不斷變化，刮板機鏈條振動較為明顯，所以不能夠精準的對鏈條張緊力進行監控。

3.4 通過電流法來監測及控制鏈條張緊力

當刮板機鏈條張緊力出現變化時，隨之鏈條的結構參數、剛度以及傳動系統的固有頻率都出現不同程度的變化，會直接影響到扭轉振動的頻率及副值。因為扭轉振動的傳遞性較強，可由軸系傳遞給驅動電動機一側，所以，此監控技術的原理是由監測驅動電動機定子電流信號中的故障頻率，以此來對鏈條的張緊力進行監控。

此技術是在電纜線上安裝傳感器，與被測機器不直接接觸，能夠保護住傳感器不受損害。但傳動過程中經過減速器，就會有其他信號摻雜進去，使得不能準確區分出導致電流變化的具體原因是鏈條張緊力還是其他。

4 目前監控鏈條張緊力中存在的不足及以后的發展趨勢

刮板機鏈條張緊力監控技術的出現，不但減少工作人員的勞動時間，而且提高了出煤效率，為以后刮板機張緊力監控技術的發展做了鋪墊。但是還需要進一步的進行研究，其中通過對懸垂量的分析來監測及控制鏈條張緊力的位置比較單一，其監測到的張力可作為對其他監控技術的參考；通過微應變來監測及控制鏈條張緊力時經過減速器，會摻雜其他信號，不能準確判斷出張緊力，如果能夠與其他信號分離出，此技術就會很好；通過滑模控制來監測及控制鏈條張緊力主要在勻速運行情況下適用，在啟動情況下監控不準確；通過電流法來監測及控制鏈條張緊力可以直接監測出張緊力，此技術會成為以后的發展趨勢。

5 結 語

刮板機鏈條的張緊力是變化的，鏈條太緊和太松都會影響生產效率，所以，對鏈條張緊力的監測就變得十分有意義。此文是對刮板機鏈條的常見故障進行了分析，對張緊力的計算進行了闡述，羅列了目前鏈條的監測技術，分析了優點和不足，并且對鏈條的張緊力監測技術的發展趨勢做了展望。