白桂平

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030000）

引言

礦井輸送機(jī)作為礦山運(yùn)輸設(shè)備，其工作效率及工作可靠性在一定程度上決定著煤礦的開(kāi)采效率，所以輸送機(jī)的工作性能優(yōu)化成為了眾多學(xué)者研究的內(nèi)容[1-2]。此前聶仕義[3]對(duì)刮板外載荷對(duì)電機(jī)的影響進(jìn)行研究，利用Mat Lab/Simulink軟件建立了電機(jī)模型，給出了電機(jī)電流隨負(fù)載值以及電壓頻率變化的規(guī)律，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，給出了刮板輸送機(jī)在動(dòng)態(tài)載荷下的調(diào)節(jié)方案。王紀(jì)東[4]對(duì)帶式輸送機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的控制與監(jiān)測(cè)通過(guò)分析驅(qū)動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)力給出了電機(jī)的額定功率、數(shù)量及電機(jī)安裝位置，并通過(guò)對(duì)不同驅(qū)動(dòng)方式下驅(qū)動(dòng)效率的研究對(duì)比，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，從而提升了帶式輸送機(jī)在工作面效率。

1 磨損理論分析

一般來(lái)說(shuō)刮板輸送機(jī)的中部槽磨損可以分為宏觀磨損、微觀摩擦及表面接觸，對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽磨損進(jìn)行研究是為了獲得不同材料下中部槽不同工況磨損機(jī)理，進(jìn)而為中部槽減磨耐磨提供一定參考。

當(dāng)與不平整面進(jìn)行接觸時(shí)，磨損均不可避免。為了研究磨損規(guī)律，對(duì)磨損曲線進(jìn)行研究，常見(jiàn)的磨損曲線如圖1所示。

可以看出磨損曲線一般分為三個(gè)階段，分別為：跑合階段（Ⅰ）、穩(wěn)定磨損階段（Ⅱ）及劇烈磨損階段（Ⅲ）。根據(jù)工況的不同刮板輸送機(jī)中部槽其磨損曲線存在多樣性，可以為圖1中的任意一種。

圖1 磨損曲線

磨損是指接觸表面發(fā)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相對(duì)的應(yīng)力摩擦，是接觸表面逐漸出現(xiàn)脫落磨損及塑性變形的現(xiàn)象。由于礦山工況環(huán)境較差，使得機(jī)械部件磨損在任何部位均有發(fā)生。刮板輸送機(jī)由機(jī)頭驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)鏈條，刮板在中部槽運(yùn)行，在工作中承受煤料、液壓支架等的拉壓作用、沖擊載荷及循環(huán)應(yīng)力等，導(dǎo)致中部槽受磨損形式不同，多種磨損在一定工況下轉(zhuǎn)化。常見(jiàn)的中部槽磨損機(jī)制主要有磨粒磨損、疲勞磨損、黏著磨損及腐蝕磨損。

發(fā)生磨損的接觸面由高低不平的顆粒組成，而發(fā)生實(shí)際接觸的僅為凸體部分，所以由于真實(shí)表面接觸面較小，使得接觸壓力較不均勻，凸體接觸部分受到極大的載荷，產(chǎn)生彈塑性變形。為了對(duì)磨損情況進(jìn)行深入研究，本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)真實(shí)接觸面受力進(jìn)行一定的分析，從微觀的角度研究中部槽接觸表面發(fā)生磨損的形式。

2 數(shù)值模擬研究

首先選定ABAQUS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行中部槽磨損研究，首先建立不平整接觸面即粗糙面，同時(shí)建立與粗糙面相同寬度的厚板，將粗糙表面接觸問(wèn)題簡(jiǎn)化為光滑表面與粗糙表面接觸模型，將建立的粗糙表面及光滑表面進(jìn)行裝配，完成粗糙與光滑表面接觸的滑動(dòng)模型。

完成模型設(shè)定后對(duì)材料屬性進(jìn)行設(shè)置，中部槽粗糙面及光滑面材料分為16Mn、40Cr。兩種材料的力學(xué)參數(shù)分別為：彈性模量，212 GPa、200 GPa；泊松比為0.31和0.25，屈服強(qiáng)度為345 MPa和418 MPa；密度為7.87 g/cm3、7.85 g/cm3。完成模型參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)遵循接觸面劃分細(xì)、非接觸面劃分略粗的原則，保證計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度符合要求。對(duì)模型邊界條件進(jìn)行設(shè)置，完成設(shè)置后對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

首先將實(shí)際接觸面積（Ar）與理論接觸面積（An）之比（Ar/An）作為一個(gè)變量，首先對(duì)實(shí)際接觸面積與理論接觸面積之比隨加載時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，模擬結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，隨著加載時(shí)間的不斷增加，中部槽接觸面積之比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，由于理論接觸面的面積是一個(gè)恒定的值，所以接觸面之比逐步增大是指實(shí)際接觸面積逐步增大。當(dāng)加載時(shí)間在25μs內(nèi)時(shí)，此時(shí)的中部槽接觸面積之比達(dá)到最大值為0.052;當(dāng)加載時(shí)間超過(guò)25μs后，此時(shí)的接觸面積之比略微降低，這是由于接觸面積受到加載應(yīng)力的增大逐步增大，當(dāng)加載完成后，此時(shí)的接觸應(yīng)力會(huì)有一定的降低，使得接觸面積之比降低。

同時(shí)對(duì)不同加載速度及不同加載強(qiáng)度下的接觸面積之比進(jìn)行一定的研究，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖2 接觸面積之比隨加載時(shí)間變化趨勢(shì)圖

如圖3-1所示，不同加載速度下，接觸面積之比隨時(shí)間變化曲線均較為平穩(wěn)，圖中的直線代表常數(shù)擬合線。整體看來(lái)，在加載開(kāi)始時(shí)，接觸面積之比都迅速升高，然后出現(xiàn)一定的降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)榧虞d速度并非平穩(wěn)，所以接觸面積之比會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。隨著滑動(dòng)時(shí)間的增加，接觸面積之比的波動(dòng)趨于穩(wěn)定。對(duì)比三種加載速度下的曲線可以看出，隨著滑動(dòng)速度的增大，接觸面積之比無(wú)明顯變化，但加載的穩(wěn)定減小，波動(dòng)增大。而從圖3-2可以看出，隨著加載強(qiáng)度的不斷加大，接觸面積之比呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這是由于隨著加載應(yīng)力的增大，使得加載接觸的嚙合度增大，接觸面積增大。所以可以看出影響真實(shí)接觸面積的主要因素為外部載荷而不是加載速度。

圖3 不同加載參數(shù)下接觸面積之比變化曲線

對(duì)最大接觸應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，模擬結(jié)果如下頁(yè)圖4所示?？梢钥闯?，在加載的初期接觸壓力快速攀升，此時(shí)的外部載荷通過(guò)少數(shù)凸體傳遞。隨著加載時(shí)間的不斷增加，凸體的距離不斷縮進(jìn)，接觸的凸體數(shù)量出現(xiàn)明顯增加，平均到每個(gè)粗糙凸體上的壓力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，曲線有所下降。在后續(xù)加載中，由于凸體增加造成的應(yīng)力降低量低于加載提升的應(yīng)力量，所以曲線進(jìn)一步上升。當(dāng)加載完成后發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)由于摩擦阻力和摩擦熱效應(yīng)導(dǎo)致最大接觸壓力出現(xiàn)不斷波動(dòng)的情況。

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)接觸面積之比隨加載時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著加載時(shí)間的不斷增加，中部槽接觸面積之比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

2）通過(guò)對(duì)不同加載速度和不同加載應(yīng)力下的接觸面積之比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響真實(shí)接觸面積的主要因素為外部載荷而不是加載速度。

圖4 最大接觸應(yīng)力隨時(shí)間的變化圖

3）通過(guò)對(duì)最大接觸應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著加載時(shí)間的增加，最大接觸應(yīng)力呈現(xiàn)先快速增大后平穩(wěn)再波動(dòng)的趨勢(shì)。