張 蕾,任亞洲

(山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司,太原 030031)

刮板輸送機(jī)是煤礦井下采煤工作面的運(yùn)輸設(shè)備,其主要部件中部槽的設(shè)計(jì)影響著整機(jī)的制造成本、周期及環(huán)保效益[1]。目前,刮板輸送機(jī)中部槽多為鑄式組焊式結(jié)構(gòu),其擋板槽幫、鏟板槽幫為鑄件,生產(chǎn)周期長(zhǎng),成本高、制造精度低、互換性差、有一定的環(huán)境污染。面對(duì)日漸嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī),最大程度的減少鑄件的使用已成為一種趨勢(shì)[2]。為縮短生產(chǎn)周期、降低成本,實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn),設(shè)計(jì)板件組焊式中部槽,其端頭采用鍛造結(jié)構(gòu),其余立板、側(cè)板均采用板材,減少對(duì)鑄件的依賴,并可提高中部槽間互換性。

1 鑄焊式中部槽結(jié)構(gòu)

1-鏟板槽幫;2-中板;3-底板;4-擋板槽幫;5-軌座;6-彎板

本文選槽寬為800 mm、槽幫高320 mm的中部槽作為研究對(duì)象,鑄焊式中部槽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

如圖1所示,該中部槽由鑄造鏟板槽幫、鑄造擋板槽幫、中板、底板、彎板、軌座焊接而成。其中槽幫采用鑄件結(jié)構(gòu),材料是ZG30MnSi;中板為K400,厚45 mm;底板為K400,厚30 mm;彎板為Q345;軌座為ZG30MnSi。槽幫為鑄造結(jié)構(gòu),鑄造生產(chǎn)存在組織晶粒比較粗大、且內(nèi)部常有縮孔、縮松、氣孔、砂眼等鑄造缺陷;殘余內(nèi)應(yīng)力的存在影響推移耳處的受力;鑄造生產(chǎn)工序繁多,工藝過(guò)程較難控制,致使鑄件的廢品率較高;鑄造的工作條件較差,勞動(dòng)強(qiáng)度比較大。

2 板件組焊式中部槽結(jié)構(gòu)及有限元分析

2.1 組焊式中部槽結(jié)構(gòu)

板件組焊式中部槽見(jiàn)圖2。

1-鏟板；2-左翼板；3-中板；4-右翼板；5-左側(cè)板；6-底板；7-右側(cè)板

如圖2所示,組焊式中部槽由左右側(cè)板、左右翼板、中板、底板、鏟板、端頭等組裝焊接在一起。其中中板、底板所受刮板鏈的摩擦力最大,所以選用K450耐磨材料。考慮到側(cè)板、左右翼板與刮板鏈的摩擦,鏟板與采煤機(jī)滑靴的摩擦、磨損,推移耳與液壓支架的摩擦及推移力,側(cè)板、左右翼板、鏟板及推移耳均選用耐磨材料NM360。筋板不受摩擦力的作用,選用Q345,其中端頭采用鍛造結(jié)構(gòu),其材料為42CrMo。

板件組焊式中部槽端頭見(jiàn)圖3。

1-端頭

如圖3所示,組焊式中部槽槽間聯(lián)接端頭采用同一種結(jié)構(gòu),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凸凹端端頭,減少端頭開(kāi)模數(shù)量。

2.2 組焊式中部槽有限元分析

1)中部槽實(shí)體模型的建立。利用Pro/Engineer建立三維實(shí)體模型,并對(duì)中部槽各部件之間添加接觸約束。

2)定義材料屬性和網(wǎng)格劃分。將Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析,并定義材料屬性。

采用系統(tǒng)默認(rèn)的自由網(wǎng)格劃分,采用四面體單元,劃分有限元網(wǎng)格。板件組焊式中部槽網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為:603 888個(gè),單元數(shù)為295 722個(gè)。

3)約束條件及載荷。約束中部槽整體的沿X、Y、Z三個(gè)方向的平移及旋轉(zhuǎn)自由度[3]。中部槽兩端的端頭進(jìn)行約束,在井下采煤機(jī)的割煤運(yùn)行過(guò)程中,中部槽軌座及鏟板上受到采煤機(jī)滑靴向下的正壓力、采煤機(jī)牽引力、及液壓支架的推溜力。

查閱采煤機(jī)說(shuō)明書[4],整機(jī)重量約50 t,作用在鏟板及軌座上的力各取250 kN,牽引力取250 kN。

查閱資料[5],推溜力取360 kN。

4)結(jié)果分析。組焊式中部槽應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖4。

4-a 應(yīng)力圖

4-b 應(yīng)變圖

如圖4所示,板件組焊式中部槽最大應(yīng)力發(fā)生在推移耳上,最大應(yīng)力值為204.15 MPa;最大應(yīng)變發(fā)生在彎板外側(cè),最大應(yīng)變值為0.17 mm。推移耳所選材料NM360,抗拉強(qiáng)度σb=1 050 MPa,計(jì)算最大應(yīng)力小于材料極限應(yīng)力,板式中部槽設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度需求。

3 組焊式中部槽與鑄焊式中部槽成本分析

對(duì)于企業(yè)生存及長(zhǎng)期發(fā)展而言,在保證產(chǎn)品使用要求的前提下,降低成本、縮短生產(chǎn)周期、進(jìn)行綠色生產(chǎn)具有重大意義。

1)成本計(jì)算分析。板式中部槽與鑄焊中部槽比較如表1所示。

表1 板式中部槽與鑄焊中部槽比較

對(duì)以上兩種結(jié)構(gòu)中部槽進(jìn)行對(duì)比,板件組焊式中部槽重量為1 650 kg,鑄件組焊式中部槽重1 721 kg,因此,板件組焊式中部槽較重量較輕,經(jīng)成本核算,板件組焊式中部槽成本降低,且加工精度高。

2)制造周期比較。鑄件加工周期長(zhǎng),板件氣割組裝時(shí)間短,采用板件組焊可有效減少生產(chǎn)制造周期。

3)綠色制造方面比較。鑄件的制造過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境污染較為嚴(yán)重,通過(guò)焊接手段來(lái)代替鑄造可有效的降低污染。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了槽寬為800 mm的板件組焊式中部槽。

2)對(duì)板件組焊式中部槽進(jìn)行有限元分析,強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3)對(duì)板件組焊式中部槽與鑄式組焊式中部槽進(jìn)行對(duì)比分析,板件組焊式中部槽具有如下優(yōu)點(diǎn):中部槽可減重約70 kg,縮短生產(chǎn)周期;降低加工成本、提高加工精度及裝配一次通過(guò)率;其生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)的環(huán)境污染小。