綜采工作面刮板輸送機鏈條保護系統研究

任清浩

（山西焦煤汾西礦業宜興煤業，山西 孝義 032300）

0 引言

綜采工作面刮板輸送機是主要的運輸設備，其能否正常、可靠運行會直接影響煤礦井下生產。刮板鏈是刮板輸送機主要組成單元，主要起到牽引作用[1-2]。刮板輸送機運行期間，鏈條張緊力會隨著運行時間、負載等變化而變化，導致鏈條部分區段張緊力與設計值間出現一定偏差[3]。鏈條太緊或者太松均會影響刮板輸送機正常運行，若是鏈條太緊則增大鏈條、鏈輪等摩擦，加快設備磨損；若是鏈條太松則容易導致鏈條在鏈輪處脫落、嚴重時導致卡鏈或者斷鏈故障[4-5]。依據有關統計資料，刮板鏈故障占比超過40%，鏈條故障產生原因[6-8]主要包括有刮板輸送機安裝工藝或者機身材料質量等不滿足相關標準要求，導致設備鏈環、鏈條以及刮板等出現異常磨損；刮板輸送機運行時負載變化較大或者采面斜長長短不一，導致刮板輸送機出現較大的彎曲，鏈條受力不均衡、局部位置異常摩擦；刮板輸送機使用地點環境惡劣且存在有腐蝕性液體，導致鏈條、鏈環等銹蝕、脫皮等，降低鏈條整體強度；操作人員操作不規范，刮板輸送機停機后緊鏈、更換的鏈環節距不統一或者出現螺栓斷裂、松動或者掉落等情況；鏈條受到鏈輪壓力、牽引力以及煤塊沖擊力、底部槽摩擦力等，導致鏈條及鏈輪使用壽命較短、影響鏈條張緊效果。對鏈條進行保護，實現故障早期預警對提升刮板輸送機工作可靠性及效率有顯著促進意義，為此文中構建一種鏈條在線監測系統，通過對跳鏈、斷鏈、堵轉等常見故障監測達到提升鏈條運行保護能力。

1 鏈條故障監測分析

具體刮板輸送機鏈條故障監測原理如圖1 所示，正常運行時鏈輪轉動會帶動舌板不停擺動，擺動范圍介于0～X，X 為理想狀態下舌板幅度。舌板鐵塊正對傳感器輸出低電平；有較大偏差時輸出高電平，隨著生產持續傳感器會持續的發出脈沖信號。經過多處現場試驗，傳感器在刮板輸送機正常運行、故障運行時脈沖信號對比情況如圖2 所示。當刮板輸送機鏈條出現斷鏈、堵轉故障后，傳感器持續輸出高電平信號；當斷刮板后，會在后續較長時間內發出高電平信號，持續時間通過超過一個脈沖周期；當出現跳鏈故障時2個傳感器發出的脈沖信號1、脈沖信號2 會出現明顯的相位差。通過對傳感器發出的脈沖信號進行分析，即可實現斷鏈、跳鏈、堵轉以及斷刮板等各類鏈條相關故障監測、判定。

圖1 鏈條故障監測示意圖

圖2 刮板輸送機不同情況下脈沖信號對比

2 系統結構組成

2.1 整體架構

具體刮板輸送機鏈條保護系統整體架構如圖3所示，布置在刮板輸送機機尾位置的傳感器用以采集鏈條現場工況參數，二次儀表則對采集得到的工況參數進行分析處理，得到鏈條實際運行情況并通過串口服務器、工業以太網等將監測信息傳輸至地面調度室，實現數據交互。

圖3 二次儀表結構組成示意圖

現場監測采用的傳感器可通過外購獲取，而二次儀表為本系統專用，需針對性研發；地面監控中心上位機軟件也需針對性開發；其他的如串口服務器等均可外購。

2.2 二次儀表

2.2.1 整體結構

選用型號為HF50W-SF-24 開關電源，輸入電壓范圍為100～280 VAC，輸出1 路為24 VAC；MKDS-I雙路本質安全性電源，輸入電壓127 VAC、輸出2 路為5 VDC 回路。串口服務器型號為EDG－4504、安全柵型號為GS8092－EX（S）。具體選用的各元器件結構類型及參數如表1 所示。

表1 各元器件型號及規格

具體設計的二次儀表結構組成如圖3 所示，設計的二次儀表為隔爆本安型，采用井下的127 V 交流電源供電，并將本安電源模塊內置在隔爆腔內。由于需要同時采集2 路傳感器脈沖信號，因此二次儀表主電路板選擇使用雙單片機。

2.2.2 控制程序

二次儀表有大量定時器以及中斷器，在1 號單片機中，定期器0 以及外部中斷器0 監測傳感器每個周期內高電平持續時間，外部中斷1 則為外置鍵盤編程使用，定時器1 用以實現脈沖周期標定，數據通信協議采用Modbus 協議，中斷方式通信。2 號單片機中，定期器0 以及外部中斷0 用以實現傳感器每個周期內高電平持續時間，定時器1 用以實現脈沖周期標定。具體控制軟件運行流程如圖4 所示。

圖4 控制軟件運行流程

2.3 地面調度室上位機軟件

地面調度室上位機軟件主要功能是顯示井下二次儀表監測結果。上位機軟件開采采用VC++6.0、MFC 編程方式，具體設計的上位機軟件顯示界面如圖5 所示。

圖5 上位機軟件顯示界面

3 現場應用效果

山西某礦3302 綜采工作面回采的3 號煤層厚度均值3.7 m，煤層中間有2～4 層砂質泥巖、粉砂巖夾矸，厚度合計0.20～0.75 m，日均推進速度4.8 m，布置的刮板輸送機長度為225 m。在保護系統應用前，受3302 綜采工作面回采范圍內地質構造復雜、煤層夾矸以及刮板輸送機鋪設距離長等多因素制約，刮板輸送機在使用過程中出現多起鏈條故障，不僅影響原煤運輸而且存在一定安全風險。將上文所述刮板輸送機鏈條保護系統應用到采面刮板輸送機后，通過傳感器實現鏈條狀態監測，可及時發現鏈條故障，不僅可降低故障影響而且系統運行平穩，地面監控中心工作人員也可遠程掌握刮板輸送機鏈條情況；保護系統應用可在一定程度提升采面遠程監控能力以及安全保障水平。

4 結語

構建的刮板輸送機鏈條保護系統通過在線監測鏈條運行狀態，實現鏈條故障（包括斷鏈、跳鏈、堵轉以及斷刮板等）監測、預警，監測結果采用二次儀表進行分析并通過工業以太網傳輸到地面監控中心。若現場發現刮板輸送機鏈條出現運行故障時，二次儀表可直接發出聲光報警信息同時地面監控中心上位機也會顯示故障類型。通過鏈條保護系統應用，可在一定程度上提高刮板輸送機運行可靠性、降低刮板鏈故障影響。