姚云峰

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦選煤廠， 山西 古交 030203）

引言

礦井刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)作為直接接觸煤炭物料的構(gòu)件，其受力情況較為復(fù)雜，不僅受到了來(lái)自煤炭物料的摩擦力，還有傳動(dòng)鏈條的阻力以及自身刮板的相互磨損?，F(xiàn)有大多數(shù)的刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)為光滑平表面，目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化僅停留在中部槽的兩側(cè)結(jié)構(gòu)及其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方面[1-2]。因此，通過(guò)在中部槽朝輸送的光滑平面采用仿生形態(tài)設(shè)計(jì)，以凹槽形式布置在中部槽輸送平面，采用正交試驗(yàn)理論設(shè)計(jì)出中部槽的最優(yōu)參數(shù)組合，可通過(guò)新設(shè)置的凹槽結(jié)構(gòu)提升中部槽中間表面的耐磨性能，并且能合理均勻的分散載荷應(yīng)力，起到了緩釋?xiě)?yīng)力的效果。

1 仿生耐磨優(yōu)化理念

研究仿生的相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，各個(gè)生物體是在長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化變化當(dāng)中不斷地適應(yīng)周圍的環(huán)境，生存環(huán)境的各種載荷作用不斷的對(duì)各個(gè)生物體進(jìn)行影響刺激，生物體受到各種刺激作用或會(huì)在其身體表面形成各式各樣的非光滑形態(tài)，逐漸進(jìn)化出適合自己生物條件的表面耐磨形態(tài)。這些形態(tài)具有耐磨、減阻等作用，主要的形態(tài)可分為凸包狀、凹坑狀、溝槽狀、鱗片狀等[3]。

其他產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域已采用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)，制造了許多機(jī)械結(jié)構(gòu)，這些設(shè)計(jì)理念對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有了重要的指導(dǎo)意義。因此中部槽光滑表面在不耐磨的情況下，可考慮采用仿生學(xué)的原理，增加其耐磨性能[4]。研究表明在仿生非光滑耐磨機(jī)理的作用下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦物料的收集、均勻分布載荷應(yīng)力、提高耐磨韌性等作用。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，將每一個(gè)影響因素具有代表性的組合進(jìn)行試驗(yàn)研究，即可全面的了解整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布情況，得到最后的最優(yōu)水平組合[5]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法首先應(yīng)明確影響因素和一個(gè)因素具有代表性的數(shù)據(jù)，然后設(shè)計(jì)出正交試驗(yàn)表，根據(jù)數(shù)據(jù)組合情況，研究每種方案的試驗(yàn)結(jié)果。將采用凹槽的仿生設(shè)計(jì)理念，確定刮板輸送機(jī)中部凹槽結(jié)構(gòu)的幾種影響參數(shù)，利用正交試驗(yàn)方法優(yōu)選出最優(yōu)組合并應(yīng)用于中部槽結(jié)構(gòu)表面優(yōu)化當(dāng)中[6]。

3 結(jié)構(gòu)模型的建立

3.1 三維模型的建立

依據(jù)刮板輸送機(jī)中部槽實(shí)際開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中的工況條件，主要應(yīng)對(duì)中部槽、刮板、煤炭物料進(jìn)行三維模型的建立，它們?nèi)咧g有相互的摩擦接觸，還應(yīng)對(duì)摩擦接觸的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定義。

中部槽選取其局部結(jié)構(gòu)開(kāi)展研究，由于刮板與中部槽的接觸行為是非線性關(guān)系，為提高仿真計(jì)算模型的計(jì)算效率，精簡(jiǎn)物料輸送的模型結(jié)構(gòu)，對(duì)于相關(guān)棱角、鈑金、擋板等零碎部件進(jìn)行去除，將該部分的配重質(zhì)量應(yīng)用于仿真模型當(dāng)中，如圖1 所示為物料輸送模型，其中1、2、3、4、5、6 為模擬的煤炭物料的簡(jiǎn)化模塊，并將刮板裝置夾在中間，模擬在煤炭輸送過(guò)程中的刮板對(duì)煤炭物料刮刷作用。

3.2 仿真模型的建立

為準(zhǔn)確的計(jì)算出仿真結(jié)果，對(duì)煤炭物料輸送模型的各個(gè)部件材料參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的定義，相關(guān)參數(shù)如下頁(yè)表1 所示。

圖1 物料輸送模型

表1 各個(gè)部件材料屬性

對(duì)建立模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，依據(jù)實(shí)際工況條件設(shè)置約束及邊界條件同時(shí)定義摩擦參數(shù)，模擬開(kāi)采出的煤炭物料或夾雜在煤炭中的巖石的一個(gè)裝載過(guò)程，對(duì)于煤炭物料和刮板，不僅要有法向的載荷力，還應(yīng)施加垂直的載荷作用，如上頁(yè)圖1 所示，將2、3、4、6 定義為煤炭物料，將1、5 定義為夾雜在煤炭物料中的巖石，煤炭混合巖石更符合實(shí)際開(kāi)采后物料組成類型，如圖2 所示為對(duì)模擬過(guò)程施加的約束和載荷。3.3 仿真原始結(jié)果分析

圖2 施加的約束和載荷

通過(guò)有限元仿真計(jì)算，在煤炭物料夾雜巖石的情況下，應(yīng)力最大只出現(xiàn)在了底板中間，并且底板側(cè)板之間出現(xiàn)了應(yīng)力較小的真空地帶，中部形成了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，等效應(yīng)力最大值為699 642 Pa，超出了整個(gè)中部槽的負(fù)載能力的16%，并且在此工程條件下，中部的變形量最高達(dá)到了5.69 μm，超出煤炭物料負(fù)載條件的28%，如圖3 所示。因此，原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠完善，需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

4 仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 仿生方案選擇

通過(guò)查閱相關(guān)資料，結(jié)合實(shí)際工況條件，提出在中部槽底板上開(kāi)設(shè)凹坑的形式形成仿生結(jié)構(gòu)，凹坑形式可以減小物料摩擦作用面積、凹坑中存在的空氣可以減小大氣負(fù)壓，可以減小物料在底板上的停留和黏緊，如圖4 所示。

圖4 左上角為設(shè)計(jì)的凹孔布置于底板當(dāng)中，在底板上呈一定布置排列，形成密密麻麻的凹坑形孔。

4.2 正交設(shè)計(jì)方案

確定了凹坑仿生的形式，需對(duì)凹坑的布置方案進(jìn)行確定，采用正交試驗(yàn)的方法，確定了本次試驗(yàn)因素為凹坑直徑A、凹坑深度B、凹坑橫向間距C、凹坑縱向間距D。應(yīng)用科學(xué)的正交試驗(yàn)方案選擇方法，具體試驗(yàn)方案如表2 所示。

圖3 中部槽等效應(yīng)力、變形云圖

圖4 仿生中部槽結(jié)構(gòu)

表2 正交試驗(yàn)方案

最終確定了9 種試驗(yàn)方案，一次按照9 種方案進(jìn)行中部槽底板凹坑的布置。

4.3 結(jié)果對(duì)比分析

按照與原始結(jié)構(gòu)同樣的有限元仿真方法，優(yōu)選出第6 號(hào)正交試驗(yàn)方案A2B3C1D1 結(jié)果數(shù)據(jù)最優(yōu)，可以有效地減少底板應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，并且等效變形云圖的范圍更加均勻，如下頁(yè)圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后中部槽等效應(yīng)力、變形云圖

提取優(yōu)化后中部槽底板的應(yīng)力、變形數(shù)據(jù)，相比于原有結(jié)構(gòu)，仿生優(yōu)化后的底板結(jié)構(gòu)在等效應(yīng)力方面降低了13.9%，最大應(yīng)力數(shù)值下降明顯并合理均勻的分布了應(yīng)力范圍。此外，中部槽的變形由原來(lái)的數(shù)值下降了18.8%，采用仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化的中部槽底板結(jié)構(gòu)在應(yīng)力分布及變形情況都得到了明顯的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

1）刮板輸送機(jī)中部槽選取的凹坑作為底板優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高整個(gè)煤礦開(kāi)采傳送的效率，并減小煤炭物料對(duì)底板的磨損破壞程度。

2）將仿生理念應(yīng)用于礦井機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中為今后采煤機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展提供了思路。