李冬俠

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煤機(jī)裝備研究院， 山西 太原 045000）

引言

近年來我國綜采工作面正朝著大采高方向發(fā)展，這對包括刮板輸送機(jī)在內(nèi)的采煤設(shè)備性能提出了更高的要求[1-2]。刮板輸送機(jī)在工作過程中，中部槽是承載煤礦物料的主要結(jié)構(gòu)件，其在運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象[3-4]。一旦磨損達(dá)到一定程度，會(huì)對刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性造成不利影響，進(jìn)而影響采煤生產(chǎn)的連續(xù)性[5]。因此有必要對刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)的磨損現(xiàn)象進(jìn)行深入分析和研究，掌握其磨損特征，分析導(dǎo)致中部槽出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的原因，在此基礎(chǔ)上提出針對性的磨損防治措施。

1 刮板輸送機(jī)運(yùn)行模型的建立

1.1 三維幾何模型的建立

基于SGZ1000/2100型號刮板輸送機(jī)建立三維幾何模型，用到的建模軟件為SolidWorks。建立幾何模型時(shí)嚴(yán)格按照該型號刮板輸送機(jī)的幾何尺寸執(zhí)行。本研究中主要研究對象為刮板輸送機(jī)的中部槽，建模時(shí)以中部槽為核心，對其他非核心結(jié)構(gòu)件進(jìn)行簡化處理。將建立的三維幾何模型導(dǎo)出為IGES格式，以便導(dǎo)入到EDEM軟件中進(jìn)行后續(xù)分析。

1.2 有限元模型的建立

將IGES格式的三維幾何模型導(dǎo)入到EDEM軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用的網(wǎng)格單元形式為三角形殼體單元，將網(wǎng)格邊長設(shè)置為10 mm，最終劃分得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為276 344個(gè)和556 230個(gè)。利用刮板輸送機(jī)對煤礦物料進(jìn)行運(yùn)送過程中，煤礦物料之間肯定會(huì)產(chǎn)生相互碰撞與摩擦，如何處理不同煤礦物料之間的碰撞和摩擦問題是本模型的關(guān)鍵所在。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，Hertz-Mindin模型具有較好的應(yīng)用效果。因此選用該模型作為煤礦物料之間的碰撞與摩擦模型。模型中還需要輸入準(zhǔn)確的材料屬性才能夠得到理想的結(jié)果。刮板輸送機(jī)使用鋼的剪切模量和泊松比分別為85 GPa和0.22，煤對應(yīng)的數(shù)值分別為13.5 GPa和0.3，鋼和煤的密度分別為7 800 kg/m3和1 500 kg/m3。

1.3 有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場情況的對比分析

在煤礦井下工作現(xiàn)場，采煤機(jī)獲得的煤礦物料會(huì)直接散落在刮板輸送機(jī)中部槽上面，刮板輸送機(jī)對物料進(jìn)行輸送。圖1-1所示為刮板輸送機(jī)的現(xiàn)場運(yùn)行情況，從圖1中可以看出，當(dāng)煤礦物料穩(wěn)定后，刮板附近集中的物料相對較多，其他位置則相對較少。圖1-2所示為有限元模擬的結(jié)果，同樣發(fā)現(xiàn)煤礦物料集中在刮板附近，其他區(qū)域的煤礦物料相對較小?？梢钥闯鲇邢拊M結(jié)果與現(xiàn)場的情況基本相同，說明建立的有限元模型是正確的。

圖1 煤礦物料沿刮板輸送方向的分布情況對比

2 中部槽結(jié)構(gòu)的磨損特征分析

對于刮板輸送機(jī)而言，中部槽結(jié)構(gòu)是其中最為核心的結(jié)構(gòu)件。在正常工作過程中煤礦物料與鏈條、刮板發(fā)生接觸產(chǎn)生摩擦磨損。特別是煤礦物料剛裝入到中部槽時(shí)，煤礦物料會(huì)產(chǎn)生加速度，加速度的力全部由刮板和鏈條摩擦力提供。由此可以看出，煤礦物料從速度為零加速到穩(wěn)定狀態(tài)，這個(gè)過程會(huì)對刮板和鏈條造成一定程度磨損，會(huì)不同程度作用于中部槽基于建立的有限元模型模擬中部槽的磨損現(xiàn)象，主要通過中部槽平均線磨損深度來表征結(jié)構(gòu)的磨損情況。

圖2 刮板輸送機(jī)中部槽平均線磨損深度隨時(shí)間的變化曲線

下頁圖2所示為中部槽結(jié)構(gòu)平均線磨損深度隨時(shí)間的演變曲線。需要說明的是，模型是從煤礦物料落入中部槽時(shí)開始進(jìn)行計(jì)算。由圖中的變化曲線可知，煤礦物料開始落入中部槽后，平均線磨損深度開始快速加大。隨著時(shí)間推移，平均線磨損深度的變化速度逐漸減慢。當(dāng)煤礦物料的速度與刮板輸送機(jī)的速度保持相同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，兩者之間不存在相對運(yùn)動(dòng)，因此也不存在磨損現(xiàn)象。此時(shí)中部槽平均線磨損深度也保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。

3 中部槽結(jié)構(gòu)的磨損特征影響因素研究

3.1 刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度對中部槽磨損的影響

刮板輸送機(jī)在實(shí)踐應(yīng)用過程中，其運(yùn)行速度會(huì)對輸送能力產(chǎn)生影響。運(yùn)行速度不同，中部槽磨損情況會(huì)存在差異。為分析刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度對中部槽磨損的影響規(guī)律，基于有限元模型模擬分析了速度分別為0.8 m/s、1.0 m/s和1.2 m/s時(shí)中部槽的磨損規(guī)律。如圖3所示為不同運(yùn)行速度時(shí)中部槽的磨損特征曲線。

圖3 刮板輸送機(jī)不同運(yùn)行速度時(shí)中部槽磨損特征曲線

不同運(yùn)行速度下中部槽的磨損特征曲線均表現(xiàn)出了類似的演變規(guī)律。剛開始階段磨損現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而后磨損現(xiàn)象逐漸得到緩解，最后基本保持穩(wěn)定。在剛開始階段出現(xiàn)快速磨損的原因在于，大量煤礦物料落入刮板輸送機(jī)中部槽中，不僅對中部槽造成較大沖擊，同時(shí)需要很大的摩擦力對煤礦物料進(jìn)行加速。對比不同運(yùn)行速度下中部槽的磨損特征曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行速度的增加，中部槽磨損速度變得越來越快，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的磨損程度會(huì)很嚴(yán)重。運(yùn)行速度增加意味著單位時(shí)間落入中部槽的煤礦物料質(zhì)量增多，速度增大后煤礦物料難以堆積，使得煤礦物料與中部槽間的接觸面積增大。這些因素都會(huì)使得中部槽的磨損現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。

3.2 煤礦物料運(yùn)輸質(zhì)量對中部槽磨損的影響

為了研究煤礦物料運(yùn)輸質(zhì)量對中部槽磨損的影響規(guī)律，在有限元模型中分別將煤礦物料的質(zhì)量設(shè)置成為1 500 kg、1 800 kg和2 100 kg進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。如圖4所示為不同煤礦物料質(zhì)量時(shí)的中部槽磨損特征曲線。

刮板輸送機(jī)輸送的煤礦物料質(zhì)量不同時(shí)，中部槽磨損規(guī)律基本類似。在剛開始階段，磨損現(xiàn)象顯著，平均線磨損深度隨時(shí)間增加出現(xiàn)快速增長趨勢，最后都保持穩(wěn)定。3 s后，輸送質(zhì)量為1 500 kg時(shí)中部槽磨損現(xiàn)象得到緩解，8 s時(shí)基本保持穩(wěn)定。對比不同運(yùn)輸質(zhì)量時(shí)的中部槽磨損特征曲線可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)輸質(zhì)量越多，中部槽磨損現(xiàn)象越嚴(yán)重，不管是磨損速度還是磨損程度都顯著提升。另外還可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)送的煤礦物料質(zhì)量越高，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間更長。

圖4 不同煤礦物料質(zhì)量時(shí)的中部槽磨損特征曲線

3.3 材料剪切模量對中部槽磨損的影響

基于有限元模型模擬分析了不同材料剪切模量對中部槽結(jié)構(gòu)磨損的影響規(guī)律，剪切模量的取值分別為75 GPa、85 GPa、95 GPa。如圖5所示為不同材料剪切模量時(shí)中部槽的磨損特征曲線。

圖5 不同切變模量時(shí)中部槽的磨損特征曲線

不同剪切模量下中部槽磨損情況變化趨勢基本相同。隨著材料剪切模量的增加，中部槽的磨損現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。出現(xiàn)這種情況的原因在于，高的材料剪切模量意味著其抵抗切應(yīng)變的能力相對較強(qiáng)，即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性形變越小，在煤礦物料、鏈條、刮板等與中部槽發(fā)生接觸時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損，所以使用高的剪切模量中部槽材料反而會(huì)加速磨損。

4 中部槽結(jié)構(gòu)磨損防治措施分析

基于模擬仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度的增加以及運(yùn)輸質(zhì)量的加大，中部槽結(jié)構(gòu)的磨損現(xiàn)象變得越來越嚴(yán)重。理論上應(yīng)該對刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度以及裝載量進(jìn)行控制，以降低中部槽的磨損問題。但是在實(shí)踐過程中降低刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度以及裝載量意味著采煤效率的降低，所以降低刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度和裝載量不太現(xiàn)實(shí)。這種情況下，應(yīng)該使用耐磨性能更好的材料來提升中部槽耐磨性。另外，中部槽材料的剪切模量越大，其磨損現(xiàn)象越嚴(yán)重，所以在選用中部槽材料時(shí)，應(yīng)該考慮其切變模量的影響，優(yōu)先選用剪切模量相對較低的材料。通過材料的合理選用，能夠有效規(guī)避中部槽結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)過早磨損的問題，提升其服役壽命。

5 結(jié)論

刮板輸送機(jī)是采煤過程中的重要運(yùn)輸裝備，其運(yùn)行可靠性會(huì)對采煤過程產(chǎn)生決定性影響。中部槽結(jié)構(gòu)是刮板輸送機(jī)中的重要結(jié)構(gòu)件，中部槽的工作性質(zhì)決定了其容易出現(xiàn)磨損問題?；谟邢拊椒?，對中部槽結(jié)構(gòu)的磨損現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長其磨損現(xiàn)象變得越來越嚴(yán)重。另外，當(dāng)刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度、裝載的煤礦物料質(zhì)量、中部槽材料的剪切模量增加時(shí)，中部槽磨損現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。結(jié)合實(shí)踐情況，認(rèn)為中部槽結(jié)構(gòu)應(yīng)該選用耐磨性能更好、剪切模量相對較低的材料進(jìn)行加工制作，以提升其使用壽命。