樊 兵

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機(jī)是礦井綜采工作面重要的運輸設(shè)備，刮板輸送機(jī)性能的優(yōu)良直接決定了工作面推進(jìn)的速度。中部槽作為刮板輸送機(jī)運輸和承載的主要載體，對刮板輸送機(jī)的性能有決定性影響。井下特殊的開采環(huán)境，使得刮板輸送機(jī)既要承受垂直應(yīng)力，也需承受運行過程中的摩擦力和破碎巖塊帶來的沖擊力。在滑靴運行的過程中，當(dāng)?shù)装逋黄饑?yán)重時，導(dǎo)致采煤機(jī)的整體重量施加在中部槽上，因此造成中部槽的斷裂失效。目前，煤礦中因為中部槽失效的案例較多，中部槽損壞的形式也有很多，除了采煤機(jī)造成的中部槽斷裂之外，啞鈴窩凸凹端以及推移耳造成的失效斷裂也是主要的破壞形式。因為井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作空間較為狹小，一旦中部槽失效，進(jìn)行更換維修將變得非常困難，導(dǎo)致工作面推進(jìn)的速度降低，影響生產(chǎn)的效率。本文針對中部槽斷裂現(xiàn)象，將對其進(jìn)行力學(xué)分析和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，研究結(jié)果可供煤礦改進(jìn)中部槽參考。

1 直線截割工況下中部槽的力學(xué)分析

采煤機(jī)在井下工作時，直線截割作業(yè)是最為常見的一種工作狀態(tài)。在直線截割作業(yè)下，采煤機(jī)對中部槽的力學(xué)測量困難，無法實現(xiàn)，因為刮板輸送機(jī)的主體主要是由若干中部槽拼接而成，因此只了解中部槽中一節(jié)的載荷作用便可。中部槽在運動的過程中，與其相連接的采煤機(jī)滑靴以及行走齒輪是影響其力學(xué)性能的重要因素，又因為其特殊的連接方式，使得中部槽的運動是一個連續(xù)的動態(tài)過程。為此，選取三種有代表性的工況對中部槽受力特征進(jìn)行分析，從而得到載荷作用下中部槽的力學(xué)特性。

因為實際數(shù)據(jù)難以測量，因此利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析。為了簡化對中部槽的力學(xué)分析，將中部槽的底板、槽幫以及推移耳等部件看作一個整體，為了充分反映運行過程中不同節(jié)中部槽的力學(xué)影響，固選擇三節(jié)中部槽進(jìn)行建模分析，主要分析中間中部槽的力學(xué)性能，因此在模型的建立上，盡量細(xì)化中間中部槽，簡化兩端中部槽，去除多余倒角。

利用ANSYS 軟件，對中部槽進(jìn)行建模，考慮到礦井的實際開采狀況，定義中部槽的材料為ZG30MnSi，采用8 節(jié)點、6 級精度的網(wǎng)格控制進(jìn)行網(wǎng)格劃分，底板性質(zhì)定義為煤巖，采用8 節(jié)點、6 級精度的網(wǎng)格控制進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

模型建立成功后，根據(jù)實際狀況對模型施加載荷，得到圖1 所示的中部槽應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，前槽幫肋板根部周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，根據(jù)實際的生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)中部槽損壞后，兩肋板根部裂紋擴(kuò)展明顯，但是因為裂紋源不同使得兩側(cè)的裂紋擴(kuò)展沒有貫穿，而是從各自的肋板根部擴(kuò)展發(fā)育。因為材料的抗壓強(qiáng)度大于模擬中的等效應(yīng)力，因此中部槽不會出現(xiàn)斷裂狀況。

圖1 中部槽應(yīng)力（MPa）云圖

根據(jù)上述討論可以得到，肋板根部所受的等效應(yīng)力影響著裂紋的擴(kuò)展，而載荷直接影響著肋板根部的等效應(yīng)力。所以可以得到滑靴作用是導(dǎo)致中部槽斷裂的主要原因。當(dāng)滑靴在中部槽上方時，采煤機(jī)的重量通過滑靴施加在中部槽上，當(dāng)采煤機(jī)運行時，中部槽還受到摩擦力的作用，雖然底板起到一定的支撐作用，但是在壓力的長期作用下，鏟煤板依舊會發(fā)生嚴(yán)重的變形，在前槽幫肋板的阻礙作用下，導(dǎo)致肋板根部產(chǎn)生變形，因此滑靴所受的垂直應(yīng)力是影響肋板開裂的主要原因。

2 中部槽多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化

通過對中部槽力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，中部槽的斷裂主要是因為鏟煤板受力過大，因為中部槽的受力特征可以看做多載荷的靜力受力，因此從靜態(tài)的角度對中部槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而降低鏟煤板肋板根部的受力，提高中部槽的穩(wěn)定可靠性。對于中部槽的優(yōu)化設(shè)計，利用ANSYS 軟件中的Workbench 模塊進(jìn)行分析。優(yōu)化方案中中部槽的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 中部槽各部位參數(shù)以及優(yōu)化結(jié)果

為了更直觀地觀察各參數(shù)下中部槽的等效應(yīng)力，繪制圖2 所示的設(shè)備參數(shù)三維應(yīng)力響應(yīng)圖，從圖中可以看出，中部槽的等效應(yīng)力隨著輸入?yún)?shù)的增加整體呈現(xiàn)降低的趨勢，當(dāng)各參數(shù)增加時，中部槽的質(zhì)量也增加。從圖2 中可以看出，當(dāng)肋板厚度、鏟煤板厚度、鏟煤板長度以及肋板根部倒角參數(shù)增加時，曲線的斜率呈現(xiàn)降低的趨勢，說明參數(shù)的增加并不會一直降低設(shè)備的等效應(yīng)力值，而一直增加設(shè)備的參數(shù)使得中部槽的質(zhì)量增加，使得設(shè)備投入成本增加。為此，應(yīng)該選擇最佳的優(yōu)化參數(shù)，當(dāng)肋板厚度為27.13 mm、鏟煤板厚度為59.32 mm、鏟煤板長度為231.25 mm 以及肋板根部倒角為31.87 mm 時，中部槽的承受壓力為324 MPa，設(shè)備的質(zhì)量為534.21 kg，成本投入較大，設(shè)備的承壓能力較大。

圖2 設(shè)備參數(shù)三維應(yīng)力響應(yīng)圖

將優(yōu)化后的參數(shù)建立為模型與原有參數(shù)下的模型進(jìn)行比較，得到如表2 所示的對比結(jié)果。

表2 優(yōu)化前后中部槽參數(shù)對比

對比優(yōu)化前后的模型質(zhì)量，優(yōu)化后模型較原模型的質(zhì)量降低了3.97%，中部槽承受的最大等效應(yīng)力值降低為4.9%。通過中部槽多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化降低了設(shè)備的質(zhì)量以及等效應(yīng)力值，可以有效避免中部槽斷裂的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1）對刮板輸送機(jī)在直線截割工況下力學(xué)分析，得到無論在何種工況下，中部槽在壓力以及摩擦力的共同作用下肋板根部都會出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，最終導(dǎo)致中部槽槽幫的斷裂失效。

2）針對失效問題進(jìn)行了中部槽多目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化，得到了最佳的優(yōu)化參數(shù)，且優(yōu)化后的中部槽質(zhì)量下降，最大等效應(yīng)力也降低，提高了中部槽的可靠性。