刮板輸送機斷鏈檢測及保護系統研究

秦維陽

（山西汾西礦業集團水峪煤業有限責任公司， 山西 孝義 032300）

0 引言

刮板輸送機是采掘作業面主要運輸設備并為采煤機往返移動提供便利，刮板輸送機運行穩定性、可靠性會直接影響井下生產[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運行時間、鋪設長度以及負載等密切相關，當刮板輸送機負載突然增加或者存在卡鏈、斷鏈等故障時，刮板輸送機張緊力會出現明顯變化[2-3]。刮板輸送機鏈條張緊力過大或者過小均會影響運行。根據相關研究成果表明，刮板鏈故障占刮板輸送機故障總數的40%以上，刮板鏈故障主要是由于安裝工藝或材質質量不滿足相關標準、負載過大、操作不規范、使用環境存在腐蝕性液體、異常沖擊等[4]。眾多的學者對刮板輸送機驅動、中部槽、鏈輪以及刮板鏈等展開研究，并取得較為顯著應用成果[5-7]。文中就在以往研究成果基礎上，以51102 綜采工作面使用的SGZ1000/2100 刮板輸送機為研究對象，提出一種刮板輸送機鏈條保護系統，以期增加刮板輸送機運輸可靠性并提升采面綜采設備運行效率。

1 工程概況

山西某礦51102 綜采工作面設計推進長度為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°，采面開采區域內地質構造發育，煤層厚度變化較大，頂底板巖性以粉砂巖、砂質泥巖以及炭質泥巖為主。采面使用的刮板輸送機型號為SGZ1000/2100，采用3 臺功率均為700 kW 電機驅動，采用變頻控制，鏈速v 在0～1.41 m/s 內可調，設備額定運輸能力為2 700 t/h，具體刮板輸送機結構如圖1 所示。刮板輸送機工作時，驅動電機通過減速器帶動驅動鏈輪轉動，鏈輪與刮板鏈圓環嚙合帶動刮板鏈往返移動，實現刮板鏈上物料運輸。

圖1 SGZ1000/2100 刮板輸送機結構示意圖

SGZ1000/2100 刮板輸送機受現場地質條件惡劣、負載大等因素影響，刮板鏈故障發生率較高，其中故障類型以斷鏈為主。為確保刮板輸送機可靠運行，需要構建一種刮板鏈保護系統，對刮板鏈運行情況進行實時監測，以便及時發現并消除故障，提高刮板鏈運行穩定性。

2 刮板輸送機鏈條保護系統構建

SGZ1000/2100 刮板輸送機在51102 綜采工作面現場使用時刮板鏈存在的主要問題是斷鏈，因此構建的保護系統重點對斷鏈故障進行檢測。

2.1 斷鏈故障檢測方法

當刮板鏈出現斷鏈后最為直觀的表現為刮板兩端出現一定偏移量，同時由于負載出現變化，機頭、機尾電機輸入電流會出現波動。為提高刮板鏈斷鏈故障檢測精度，文中綜合刮板偏移量、機頭及機尾電機電流差確定刮板鏈斷鏈故障。

1）刮板偏移檢測方法。當刮板鏈有斷鏈故障時，刮板與運行方向間角度會出現明顯變化。具體刮板偏移檢測示意圖如圖2 所示?？稍诠伟遢斔屯晃恢脙蓚确謩e布置傳感器對刮板到達該位置時間進行測定，若測定時間差超過設定閾值后，則表明刮板位置出現偏移，刮板鏈出現斷鏈故障。PLC 采集接近開采信號，并確定同一組接近開關信號時間差Δt，當Δt 連續3次超過Δtmin（Δtmin可通過ΔSmin/v 確定）時，PLC 會自動發出預緊信號；當Δt 連續5 次超過Δtmin時則PLC 發出斷鏈預警信號。

圖2 刮板斷鏈檢測示意圖

2）機頭及機尾電流差檢測。刮板輸送機正常運行時，在變頻控制系統作用下機頭、機尾驅動電機功率可保持平衡，兩個電機間輸入電流差較小。當刮板鏈出現斷鏈故障后，容易出現卡殼情況，此時機頭及機尾電機功率出現顯著變化，輸入電流出現差異。使用傳感器對機頭及機尾電機電流進行實時檢測，即可判斷刮板鏈是否出現斷鏈故障。

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

2.2 整體方案

具體構建的刮板輸送機斷鏈故障檢測系統結構如圖3 所示，在51102 綜采工作面SGZ1000/2100 刮板輸送機共布置5 組傳感器，每組由2 個傳感器構成，機頭、機尾分別布置3 組、2 組傳感器。采用變頻器對刮板輸送機3 部驅動電機電流進行實時檢測；在機頭鏈輪蓋板上布置斷鏈定位傳感器。刮板輸送機上布置的所有傳感器檢測數據均傳輸至控制器進行處理；控制器與觸摸屏通信，實現人機交互；控制器處理信息通過井下工業以太網傳輸至地面監控中心，通過監控大屏即可掌握采面刮板輸送機鏈條狀態。

圖3 刮板輸送機斷鏈故障檢測系統結構示意圖

控制器是刮板鏈斷鏈檢測系統核心設備之一，其性能會直接影響斷鏈檢測系統運行效率、可靠性。結合現場情況，控制器選用S7-1200 系列PLC，控制器與刮板輸送機上各傳感器間采用RS-485 模塊通信，通過井下工業以太網模塊與地面監控上位機通信。

斷鏈檢測使用的傳感器類型分別為定位傳感器、接近開關傳感器，分別對斷鏈位置以及刮板偏移量進行檢測。結合現場需要，選用的定位傳感器型號為TB-M18-H1147、接近開關傳感器型號為XS1 N30PA349，選用的傳感器均為本質安全型設備，可滿足采面使用需要。

2.3 控制軟件

斷鏈檢測系統控制軟件采用模塊化設計，控制程序包括有一個主程序、多個子程序，主程序運行時僅需調用各子程序即可?？刂栖浖映绦虬ㄓ谐跏蓟绦?、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行流程如圖4 所示。檢測系統供電后，會對各硬件進行初始化處理，隨后獲取刮板輸送機鏈速；檢測驅動電機電流、刮板鏈偏移量等；若發現刮板鏈運行存在異常時則定位異常點并顯示異常點位置。當系統報警次數超過一定值后，刮板輸送機即停止運行，降低斷鏈故障影響，確保刮板輸送機平穩運行。

圖4 控制軟件主程序運行流程

3 現場應用效果分析

首先檢驗構建的刮板鏈斷鏈檢測系統性能，并在51102 綜采工作面SGZ1000/2100 刮板輸送機上進行工程應用，持續監測斷鏈檢測系統應用情況。當出現斷鏈故障后會及時發出預緊信息。刮板鏈斷鏈檢測系統平穩運行，可實現刮板鏈運行狀態持續檢測，當發現斷鏈故障時即會發出報警信號。

刮板鏈斷鏈檢測系統應用后，可減少刮板輸送機維護人員3 名，故障預警以及排除時間較應用前可縮短15%以上，可顯著增強刮板輸送機運行穩定性，為采面煤炭安全高效開采創造良好條件。

4 結語

51102 綜采工作面SGZ1000/2100 刮板輸送機受現場環境條件惡劣、負載大以及鋪設距離長等多因素影響，刮板輸送機運行期間刮板鏈容易出現斷鏈故障，給設備整運行以及采面煤炭運輸帶來影響。為此提出一種斷鏈故障檢查系統并進行工程應用。提出的斷鏈故障檢測系統綜合刮板偏移、機頭及機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 接收各傳感器數據并綜合分析，通過觸摸屏顯示刮板鏈狀態并通過工業以太網將信息傳輸給地面監控中心?？刂瞥绦虿捎媚K化設計，便于編寫及維護。當發現斷鏈故障時系統會自動發出預警信息，降低斷鏈故障影響并提高刮板輸送機運行可靠性。