刮板輸送機(jī)斷鏈檢測及保護(hù)系統(tǒng)研究

秦維陽

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

0 引言

刮板輸送機(jī)是采掘作業(yè)面主要運(yùn)輸設(shè)備并為采煤機(jī)往返移動提供便利，刮板輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性會直接影響井下生產(chǎn)[1]。刮板鏈通過移動起到牽引作用，刮板鏈張緊力與刮板輸送機(jī)運(yùn)行時間、鋪設(shè)長度以及負(fù)載等密切相關(guān)，當(dāng)刮板輸送機(jī)負(fù)載突然增加或者存在卡鏈、斷鏈等故障時，刮板輸送機(jī)張緊力會出現(xiàn)明顯變化[2-3]。刮板輸送機(jī)鏈條張緊力過大或者過小均會影響運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)研究成果表明，刮板鏈故障占刮板輸送機(jī)故障總數(shù)的40%以上，刮板鏈故障主要是由于安裝工藝或材質(zhì)質(zhì)量不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、負(fù)載過大、操作不規(guī)范、使用環(huán)境存在腐蝕性液體、異常沖擊等[4]。眾多的學(xué)者對刮板輸送機(jī)驅(qū)動、中部槽、鏈輪以及刮板鏈等展開研究，并取得較為顯著應(yīng)用成果[5-7]。文中就在以往研究成果基礎(chǔ)上，以51102 綜采工作面使用的SGZ1000/2100 刮板輸送機(jī)為研究對象，提出一種刮板輸送機(jī)鏈條保護(hù)系統(tǒng)，以期增加刮板輸送機(jī)運(yùn)輸可靠性并提升采面綜采設(shè)備運(yùn)行效率。

1 工程概況

山西某礦51102 綜采工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度為1 890 m、采面斜長為260 m，開采的11 號煤層厚度均值3.9 m，傾角2°～12°，采面開采區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，煤層厚度變化較大，頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖以及炭質(zhì)泥巖為主。采面使用的刮板輸送機(jī)型號為SGZ1000/2100，采用3 臺功率均為700 kW 電機(jī)驅(qū)動，采用變頻控制，鏈速v 在0～1.41 m/s 內(nèi)可調(diào)，設(shè)備額定運(yùn)輸能力為2 700 t/h，具體刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。刮板輸送機(jī)工作時，驅(qū)動電機(jī)通過減速器帶動驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪與刮板鏈圓環(huán)嚙合帶動刮板鏈往返移動，實(shí)現(xiàn)刮板鏈上物料運(yùn)輸。

圖1 SGZ1000/2100 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

SGZ1000/2100 刮板輸送機(jī)受現(xiàn)場地質(zhì)條件惡劣、負(fù)載大等因素影響，刮板鏈故障發(fā)生率較高，其中故障類型以斷鏈為主。為確保刮板輸送機(jī)可靠運(yùn)行，需要構(gòu)建一種刮板鏈保護(hù)系統(tǒng)，對刮板鏈運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)并消除故障，提高刮板鏈運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 刮板輸送機(jī)鏈條保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建

SGZ1000/2100 刮板輸送機(jī)在51102 綜采工作面現(xiàn)場使用時刮板鏈存在的主要問題是斷鏈，因此構(gòu)建的保護(hù)系統(tǒng)重點(diǎn)對斷鏈故障進(jìn)行檢測。

2.1 斷鏈故障檢測方法

當(dāng)刮板鏈出現(xiàn)斷鏈后最為直觀的表現(xiàn)為刮板兩端出現(xiàn)一定偏移量，同時由于負(fù)載出現(xiàn)變化，機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)輸入電流會出現(xiàn)波動。為提高刮板鏈斷鏈故障檢測精度，文中綜合刮板偏移量、機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)電流差確定刮板鏈斷鏈故障。

1）刮板偏移檢測方法。當(dāng)刮板鏈有斷鏈故障時，刮板與運(yùn)行方向間角度會出現(xiàn)明顯變化。具體刮板偏移檢測示意圖如圖2 所示。可在刮板輸送同一位置兩側(cè)分別布置傳感器對刮板到達(dá)該位置時間進(jìn)行測定，若測定時間差超過設(shè)定閾值后，則表明刮板位置出現(xiàn)偏移，刮板鏈出現(xiàn)斷鏈故障。PLC 采集接近開采信號，并確定同一組接近開關(guān)信號時間差Δt，當(dāng)Δt 連續(xù)3次超過Δtmin（Δtmin可通過ΔSmin/v 確定）時，PLC 會自動發(fā)出預(yù)緊信號；當(dāng)Δt 連續(xù)5 次超過Δtmin時則PLC 發(fā)出斷鏈預(yù)警信號。

圖2 刮板斷鏈檢測示意圖

2）機(jī)頭及機(jī)尾電流差檢測。刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行時，在變頻控制系統(tǒng)作用下機(jī)頭、機(jī)尾驅(qū)動電機(jī)功率可保持平衡，兩個電機(jī)間輸入電流差較小。當(dāng)刮板鏈出現(xiàn)斷鏈故障后，容易出現(xiàn)卡殼情況，此時機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)功率出現(xiàn)顯著變化，輸入電流出現(xiàn)差異。使用傳感器對機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)電流進(jìn)行實(shí)時檢測，即可判斷刮板鏈?zhǔn)欠癯霈F(xiàn)斷鏈故障。

3）斷鏈定位。在刮板輸送機(jī)刮板鏈上確定布置一個基準(zhǔn)刮板，并在一個位置安裝定位傳感器記錄基準(zhǔn)刮板、斷鏈的刮板通過該位置時間t1、t2，結(jié)合刮板鏈鏈速v、時間差（t2-t1），即可判定斷鏈刮板與基準(zhǔn)刮板間距離，從而實(shí)現(xiàn)斷鏈定位。

2.2 整體方案

具體構(gòu)建的刮板輸送機(jī)斷鏈故障檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，在51102 綜采工作面SGZ1000/2100 刮板輸送機(jī)共布置5 組傳感器，每組由2 個傳感器構(gòu)成，機(jī)頭、機(jī)尾分別布置3 組、2 組傳感器。采用變頻器對刮板輸送機(jī)3 部驅(qū)動電機(jī)電流進(jìn)行實(shí)時檢測；在機(jī)頭鏈輪蓋板上布置斷鏈定位傳感器。刮板輸送機(jī)上布置的所有傳感器檢測數(shù)據(jù)均傳輸至控制器進(jìn)行處理；控制器與觸摸屏通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；控制器處理信息通過井下工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至地面監(jiān)控中心，通過監(jiān)控大屏即可掌握采面刮板輸送機(jī)鏈條狀態(tài)。

圖3 刮板輸送機(jī)斷鏈故障檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

控制器是刮板鏈斷鏈檢測系統(tǒng)核心設(shè)備之一，其性能會直接影響斷鏈檢測系統(tǒng)運(yùn)行效率、可靠性。結(jié)合現(xiàn)場情況，控制器選用S7-1200 系列PLC，控制器與刮板輸送機(jī)上各傳感器間采用RS-485 模塊通信，通過井下工業(yè)以太網(wǎng)模塊與地面監(jiān)控上位機(jī)通信。

斷鏈檢測使用的傳感器類型分別為定位傳感器、接近開關(guān)傳感器，分別對斷鏈位置以及刮板偏移量進(jìn)行檢測。結(jié)合現(xiàn)場需要，選用的定位傳感器型號為TB-M18-H1147、接近開關(guān)傳感器型號為XS1 N30PA349，選用的傳感器均為本質(zhì)安全型設(shè)備，可滿足采面使用需要。

2.3 控制軟件

斷鏈檢測系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，控制程序包括有一個主程序、多個子程序，主程序運(yùn)行時僅需調(diào)用各子程序即可。控制軟件子程序包括有初始化程序、電流和速度讀取程序、刮板偏移距離檢測程序等。具體控制軟件主程序運(yùn)行流程如圖4 所示。檢測系統(tǒng)供電后，會對各硬件進(jìn)行初始化處理，隨后獲取刮板輸送機(jī)鏈速；檢測驅(qū)動電機(jī)電流、刮板鏈偏移量等；若發(fā)現(xiàn)刮板鏈運(yùn)行存在異常時則定位異常點(diǎn)并顯示異常點(diǎn)位置。當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警次數(shù)超過一定值后，刮板輸送機(jī)即停止運(yùn)行，降低斷鏈故障影響，確保刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖4 控制軟件主程序運(yùn)行流程

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

首先檢驗(yàn)構(gòu)建的刮板鏈斷鏈檢測系統(tǒng)性能，并在51102 綜采工作面SGZ1000/2100 刮板輸送機(jī)上進(jìn)行工程應(yīng)用，持續(xù)監(jiān)測斷鏈檢測系統(tǒng)應(yīng)用情況。當(dāng)出現(xiàn)斷鏈故障后會及時發(fā)出預(yù)緊信息。刮板鏈斷鏈檢測系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)刮板鏈運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)斷鏈故障時即會發(fā)出報(bào)警信號。

刮板鏈斷鏈檢測系統(tǒng)應(yīng)用后，可減少刮板輸送機(jī)維護(hù)人員3 名，故障預(yù)警以及排除時間較應(yīng)用前可縮短15%以上，可顯著增強(qiáng)刮板輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，為采面煤炭安全高效開采創(chuàng)造良好條件。

4 結(jié)語

51102 綜采工作面SGZ1000/2100 刮板輸送機(jī)受現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣、負(fù)載大以及鋪設(shè)距離長等多因素影響，刮板輸送機(jī)運(yùn)行期間刮板鏈容易出現(xiàn)斷鏈故障，給設(shè)備整運(yùn)行以及采面煤炭運(yùn)輸帶來影響。為此提出一種斷鏈故障檢查系統(tǒng)并進(jìn)行工程應(yīng)用。提出的斷鏈故障檢測系統(tǒng)綜合刮板偏移、機(jī)頭及機(jī)尾電流差等確定斷鏈故障，并通過定位傳感器確定斷鏈位置。

通過PLC 接收各傳感器數(shù)據(jù)并綜合分析，通過觸摸屏顯示刮板鏈狀態(tài)并通過工業(yè)以太網(wǎng)將信息傳輸給地面監(jiān)控中心。控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，便于編寫及維護(hù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)斷鏈故障時系統(tǒng)會自動發(fā)出預(yù)警信息，降低斷鏈故障影響并提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性。