張樹祥

（山西華融龍宮煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 原平 034114）

引言

在煤礦開采過程中，刮板輸送機(jī)主要起到了煤礦煤炭的轉(zhuǎn)運和為采煤設(shè)備充當(dāng)行走軌道的作用。刮板輸送機(jī)一旦發(fā)生故障現(xiàn)象，將會使整條運輸線出現(xiàn)停產(chǎn)狀態(tài)，嚴(yán)重影響著整個工作面的煤炭開采量。其中，中部槽作為刮板輸送機(jī)中的關(guān)鍵部件，保證其不發(fā)生故障現(xiàn)象至關(guān)重要。而將有限元分析方法成功應(yīng)用到中部槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，則是當(dāng)前最為成熟的方法之一[2]。為此，針對SGZ800 型刮板輸送機(jī)的設(shè)計需求，對中部槽進(jìn)行了三維及分析模型建立，開展了中部槽在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化規(guī)律研究。

1 刮板輸送機(jī)工作原理分析

刮板輸送機(jī)是煤礦中的重要設(shè)備，主要由傳動裝置、機(jī)頭、機(jī)尾、鏈輪、中部槽、過渡槽等部件組成，如圖1 所示。根據(jù)中部槽的結(jié)構(gòu)寬度，可將其分為630、764、800、1000、1200、1500 等型號[3]，其工作原理主要是通過傳動裝置帶動鏈條和鏈輪旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)將進(jìn)入到溜槽內(nèi)煤炭從機(jī)尾運輸至機(jī)頭，最終轉(zhuǎn)運至轉(zhuǎn)載機(jī)上。其中，中部槽的結(jié)構(gòu)形式較多，包括軋制槽幫鋼焊接式、鑄造槽幫焊接、整體鑄造式、開底式和封底板式等結(jié)構(gòu)類型，不同的結(jié)構(gòu)類型對應(yīng)不同的使用工況。如軋制槽幫鋼焊接式中部槽可應(yīng)用于30B、40T 等型號的刮板輸送機(jī)，而開底式和封底板式中部槽整體結(jié)構(gòu)分為了上下兩個槽體，具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、轉(zhuǎn)動阻力小等特點，其槽寬一般在1 m 以上，具有較好的技術(shù)優(yōu)劣性及經(jīng)濟(jì)性。因此，在刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)合理、科學(xué)地選擇中部槽結(jié)構(gòu)類型，并根據(jù)不同工況，進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)尺寸、不同材料屬性中部槽設(shè)計，以此來保證刮板輸送機(jī)的高效率生產(chǎn)及較長使用壽命。

圖1 刮板輸送機(jī)實物圖

2 中部槽分析模型建立

2.1 三維模型建立

由于本文選用的是SGZ800/3×1000 型刮板輸送機(jī)設(shè)備，輸送機(jī)在與其他設(shè)備配套使用中時，對中部槽的結(jié)構(gòu)尺寸具有較多的制約作用。因此，在綜合考慮技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)下，選用了鑄造式中部槽結(jié)構(gòu)，同時，將其槽長設(shè)置為1 503 mm，槽寬設(shè)置為800 mm；同時，為保證中部槽在使用過程中具有較好的耐磨性及運行穩(wěn)定性，在對其設(shè)計中需進(jìn)行結(jié)構(gòu)的耐磨性、移動精度、抗壓強(qiáng)度等方面進(jìn)行綜合考慮[4]。整個中部槽結(jié)構(gòu)包括中板、底板、擋板槽幫、鏟板槽幫、電纜槽、銷軌座等部件焊接而成。因此，采用了SolidWorks 軟件，對中部槽進(jìn)行了三維模型建立。為避免非必要的關(guān)鍵特征及零件對中部槽的分析結(jié)果造成影響，在軟件中，將各部件的連接件及部件上的圓角、倒角及較小通孔進(jìn)行了簡化處理，僅保留了中部槽關(guān)鍵零件。由此，完成了中部槽的三維模型設(shè)計及建立，如圖2 所示。

2.2 分析模型建立

2.2.1 材料屬性設(shè)置

圖2 中部槽三維模型

采用ABAQUS 軟件，對建立的中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析模型建立。首先，對中部槽的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。目前，市場上的中部槽材料包括ZG30MnSi 和6BM 材料，經(jīng)過查閱資料可知，6BM 材料具有更高的綜合性能，能更好地延長中部槽的使用壽命[5]。故在此次分析中，將中部槽中底板、擋板槽幫、鏟板槽幫等部件均設(shè)置為6BM 材料，其材料的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 6BM 材料主要性能參數(shù)

2.2.2 網(wǎng)格劃分及約束條件設(shè)置

結(jié)合中部槽的結(jié)構(gòu)特點，在此軟件中，將中部槽進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，單元類型設(shè)置為Solid 實體單元[6]，同時，在網(wǎng)格劃分過程中，對不同位置進(jìn)行了不同顏色的區(qū)分設(shè)置，其網(wǎng)格劃分圖如圖3 所示。同時，根據(jù)中部槽的使用工況特點，對其凸端側(cè)進(jìn)行了固定約束，擋板槽幫施加裁剪切力，同時，對啞鈴桿與鏟板槽幫窩間進(jìn)行無摩擦接觸設(shè)置，中部槽的右側(cè)也設(shè)置為固定約束。

圖3 中部槽網(wǎng)格劃分圖

3 不同工況下的中部槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于刮板輸送機(jī)中部槽的工況環(huán)境相對復(fù)雜，包括直行割煤工況、斜切進(jìn)刀工況、推溜工況、拉架工況等，不同工況條件下，中部槽具有不同受力情況。因此，下面就中部槽在直行割煤工況、斜切進(jìn)刀工況兩種工況下的結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行了分析研究。

3.1 中部槽在直行割煤工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

結(jié)合前文建立的中部槽仿真模型，得到了其在直行割煤工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化圖，如圖4 所示。由圖可知，中部槽整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，在局部區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在中部槽的鏟板槽幫處的應(yīng)力達(dá)到了最大值，為399.9 MPa，但仍小于中部槽材料的屈服強(qiáng)度。同時，在整個中部槽后端的中板和擋板槽幫上也出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。此結(jié)果雖能說明所設(shè)計的中部槽結(jié)構(gòu)能滿足其在此工況下的現(xiàn)場使用需求，但若中部槽在此工況下超長時間、超負(fù)荷的運行，加上外部的不可預(yù)測因素影響，極可能導(dǎo)致中部槽發(fā)生局部的結(jié)構(gòu)變形或局部開裂等疲勞失效現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著刮板輸送機(jī)的作業(yè)效率及工作安全。因此，在使用中因重點關(guān)注此些部位的結(jié)構(gòu)變化情況。

圖4 直行割煤工況下中部槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（MPa）變化圖

3.2 中部槽在斜切進(jìn)刀工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

圖5 為中部槽在斜切進(jìn)刀工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化圖。由圖可知，中部槽在此工況條件下整體呈現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，中板及鏟板槽幫等部件上的應(yīng)力值相對較大，局部區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大集中應(yīng)力出現(xiàn)在鏟板槽幫上，為356.1 MPa，與直行割煤工況相比，所產(chǎn)生的局部應(yīng)力更小，應(yīng)力也同比分布得更加均勻。因此，中部槽在此工況下具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同樣外部條件下，中部槽在斜切進(jìn)刀工況下的使用壽命更長。由此，掌握了中部槽在此工況下的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。

圖5 斜切進(jìn)刀工況下中部槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（MPa）變化圖

4 中部槽工業(yè)試驗使用情況分析

在對中部槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)性能分析后，得出其結(jié)構(gòu)能滿足刮板輸送機(jī)在煤礦開采中的使用需求。為進(jìn)一步驗證其結(jié)構(gòu)的綜合性能，將此結(jié)構(gòu)在某煤礦綜采工作面中進(jìn)行了為期18 個月的實際運行使用測試，完成了近610 萬t 的煤炭運輸作業(yè)。之后，企業(yè)的機(jī)電科等部門工作人員對運行后的SGZ800 型刮板輸送機(jī)中部槽、刮板、鏈條等關(guān)鍵部進(jìn)行了實地測量和檢查。其中，對中部槽主要進(jìn)行了磨損情況、變形情況、開裂情況、斷裂情況等方面進(jìn)行了重點檢查及測量。

經(jīng)相關(guān)人員測量后得出：中部槽的中板磨損了24 mm，底板減薄了15 mm，上翼板厚度減少了8 mm，按照實際的運輸610 萬t 煤計算，中板每萬噸煤磨損量為0.04 mm，底板每萬噸煤磨損量為0.025 mm。同時，中部槽的槽幫凹凸處及其他部位也沒明顯的磨損現(xiàn)象，使用后的中部槽實物圖如下頁圖6所示。此磨損比例均在中部槽的設(shè)計范圍內(nèi)，滿足其設(shè)計要求。由此，可判定所設(shè)計的中部槽具有較好的結(jié)構(gòu)性能和可靠性，能滿足刮板輸送機(jī)的較長作業(yè)壽命，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖6 使用后的中部槽實物圖