謝志勇

（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

目前，國產(chǎn)刮板輸送機與國外設備在結構關鍵部件方面還存在巨大差距，隨著煤礦企業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，對刮板輸送機的過煤量有較高的要求。目前國內(nèi)刮板輸送設備的過煤量僅在500 萬t 左右，與國外有較大的差距，其中刮板輸送機的中部槽過煤量影響著整體設備的輸送效果。通過對SGB420 型刮板運輸機在日常作業(yè)過程的結構受損情況分析，其結構的中部槽受力受損嚴重，影響到了中部槽的使用壽命，對煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率造成了影響，中部槽的結構設計是否合理對采煤質量有較大的影響。因此，針對SGB420 型刮板輸送機進行中部槽結構的優(yōu)化設計研究。

1 工況分析

刮板輸送機的中部槽結構主要對礦井采出的煤炭物料進行運輸，其結構的上部和下部都會受到來自物料壓力和底部摩擦力的作用[1]。通過對SGB420型刮板輸送機的結構分析，其中部槽結構的受損情況最為嚴重，刮板輸送機的工況主要分為：直行割煤工況、斜切進刀割煤工況、推溜工況、拉架工況。作業(yè)過程中直行割煤工況最為常見，該工礦對中部槽部位的結構損傷情況最為嚴重，本文以該工況作為研究對象。

SGB420 型刮板輸送機的具體相關參數(shù)載荷為:拉架力為1 000 kN；推溜力為650 kN；采煤機自重為2 500 kN；采煤機牽引力2 000 kN[2]。

在執(zhí)行各類工況條件下，采煤機在刮板運輸機上以直線的方式平穩(wěn)運行，并通過其內(nèi)部結構滑靴與中部槽進行接觸，在執(zhí)行運動割煤作業(yè)時，采煤機會受到刮板運輸機對其造成的阻力，滑靴結構就受到向后的摩擦力，整體受力情況如圖1 所示。

圖1 刮板運輸機與采煤機接觸受力示意圖

2 仿真模型的建立

2.1 三維模型的建立

依據(jù)SGB4200 型刮板運輸機中部槽結構1∶1比例模型進行三維建模，通過Pro/E 建模設計軟件，對中部槽結構的三維模型進行建立，為確保仿真結果的準確性，提高仿真運算效率，對中部槽結構內(nèi)部一些零散部件進行簡化，包括腋板、扣件、連接板等零碎部件進行扣除，對扣除的部件重量進行重新配重，使其滿足實際的配重要求。在建模軟件中對需要裝配的部件進行約束，對各個部件進行相互裝配連接，建立整體裝備圖主要包括擋板、鏟板、中板、底板軌道等[4]，整體裝配圖如圖2 所示。

圖2 SGB4200 型刮板輸送機中部槽整機三維模型

2.2 仿真模型建立

通過Pro/E 軟件與ANSYS 軟件的通訊接口，將已建立好的三維模型導入ANSYS 軟件進行相關的參數(shù)定義和邊界條件設置，按照實際的載荷受力情況對位移、載荷的參數(shù)進行設置。SGB420 型刮板輸送機中部槽的縱向距離為6.6 m，單個槽段長度為1.8 m，選取中間的5 節(jié)中部槽結構進行研究，為確保計算的精確性，采用8 節(jié)4 面體網(wǎng)格單元對中部槽的模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分模型如圖3 所示。

圖3 中部槽網(wǎng)格劃分模型示意圖

劃分出網(wǎng)格的節(jié)點為326 772 個，單元數(shù)量為199 651 個，并且對刮板運輸機中部槽的材料進行定義，通過設置將中部槽材料的楊氏模量設置為2.22×105MPa，波松比為0.3，屈服強度為738.15 MPa，抗拉強度為873.66 MPa。通過對實際工況分析，將中部槽兩端設置為固定約束，其余中部槽間的各個槽段連接約束為無摩擦約束，并將采煤機滑靴載荷壓力施加到槽段的鏟板上，前導向滑靴對銷軌既有向下的壓力，按照實際情況以上述方式對中部槽位移和受力邊界條件進行約束[5]。

2.3 仿真結果分析

通過ansys 仿真軟件，在已設置的載荷和邊界條件下，對中槽段的整體利率分布狀況進行分析，應力云圖如圖4 所示。

將圖4 與現(xiàn)有SGB420 型刮板輸送機上拆裝下來的中部槽結構進行對比（見圖5），可以得出仿真結果顯示的應力最大處與實際損傷部位相同，表明了仿真計算的準確性。中部槽的槽幫啞鈴窩處部位為最薄弱環(huán)節(jié)，應針對該部位進行結構優(yōu)化。

3 結構優(yōu)化對比分析

3.1 結構仿真結果對比

通過對中部槽的槽幫啞鈴窩處的部位優(yōu)化，對該部位結構進行加強，增加結構的可靠性，結構改進示意圖如圖6 所示，圖中紅色方框為增加的結構部件[6]。

依照前述邊界條件對該部件重新進行仿真分析研究得出其重新應力分布的示意圖如圖7 所示。

通過結構優(yōu)化后的中部槽最大局部應力值下降23.6%，提高了結構的金屬抗疲勞性，提升了整體結構的穩(wěn)定性，并將該優(yōu)化結構應用于實際的現(xiàn)場生產(chǎn)過程中。

圖4 現(xiàn)有結構應力分布示意圖

圖5 實際損壞部位示意圖

圖6 結構改進部位示意圖

圖7 優(yōu)化后結構應力分布示意圖

3.2 現(xiàn)場試驗結果分析

將優(yōu)化后的中部槽結構安裝于SGB420 型刮板輸送機上，并在實際輸送煤炭物料中進行運用，為獲取真實可靠的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，在每一個輸送時段選取節(jié)點進行數(shù)據(jù)記錄觀察并對長時間作業(yè)后的中部槽結構進行觀察，如圖8 所示。

圖8 優(yōu)化后結構現(xiàn)場應用磨損示意圖

由圖8 所示，與圖5 磨損情況進行對比可知優(yōu)化后結構比原有結構承載力更強，優(yōu)化后的輸送機中部槽的槽幫啞鈴窩處磨損情況正常，沒有發(fā)生明顯的結構破壞情況，保證了輸送機的整體穩(wěn)定性。優(yōu)化后的槽幫上沿無損壞，新型中部槽結構明顯優(yōu)于原有結構。

4 結論

1）通過有限元仿真技術對其受力應力分布圖及數(shù)據(jù)進行分析，仿真結果顯示的受損部位與實際相符。

2）針對中部槽易受損部位進行結構優(yōu)化，通過仿真技術顯示，優(yōu)化后結構比原有結構的應力分布更加均勻，最大應力數(shù)值下降較多，并制作出優(yōu)化后結構的實體模型運用于現(xiàn)場作業(yè)中。

3）通過優(yōu)化后結構在作業(yè)中的長期使用，得出新型結構更加符合中部槽在實際刮板輸送機作業(yè)過程中的使用要求，中部槽新型結構的強度更優(yōu)，結構設計更加合理，可靠性更優(yōu)，不容易受到各種載荷作用力下的破壞，研究結論為刮板運輸機中部槽的結構設計優(yōu)化研究提供了依據(jù)。