范偉源，王溫棟

(西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710089)

我國是煤礦生產(chǎn)大國和消耗大國，每年都會生產(chǎn)和使用大量的煤炭資源。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國每年生產(chǎn)的煤炭資源占全球煤炭資源的45%左右[1]。但是在煤礦開采技術(shù)水平上，我國與西方發(fā)達國家相比較仍然存在一定差距，尤其是在煤礦開采裝備方面，國產(chǎn)煤礦開采裝備使用量相對較少[2]。刮板輸送機是煤礦開采中非常重要的運輸裝備，開采得到的煤礦物料需要通過刮板輸送機進行輸送[3]。中部槽結(jié)構(gòu)是與煤礦物料直接接觸的結(jié)構(gòu)件，工作時與物料發(fā)生緊密接觸并產(chǎn)生摩擦[4]，在長時間重載荷摩擦作用力下，中部槽結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)嚴重磨損行為，最終失效。如何提升刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)的使用壽命是煤礦領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題[5]。針對該問題，本文利用有限元方法對刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)的摩擦磨損行為進行分析，并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，以提升結(jié)構(gòu)的抗磨損性能。將優(yōu)化后的中部槽結(jié)構(gòu)應用到刮板輸送機工程實踐中，測試發(fā)現(xiàn)效果良好，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

1 刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)

本文主要以SGZ1000×3×1000型刮板輸送機為例進行研究[6]。從整體結(jié)構(gòu)來看，刮板輸送機主要由主動鏈輪、從動鏈輪、刮板鏈條、張緊裝置、中部槽等構(gòu)成[7]。電機輸出的動力經(jīng)過減速器后，輸送到主動鏈輪中，通過鏈傳動驅(qū)動刮板鏈條發(fā)生運動。鏈條又與中部槽結(jié)構(gòu)連接，帶動中部槽結(jié)構(gòu)運動。煤礦物料裝載在中部槽上，實現(xiàn)物料的運輸?？梢钥闯觯胁坎劢Y(jié)構(gòu)是比較重要的承載結(jié)構(gòu)件，工作時不僅需要承受來自物料的重力和摩擦力，還需要承受鏈條的驅(qū)動力。刮板輸送機中部槽典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，中部槽主要由中板、底板、擋板槽幫、和鏟板槽幫、連接板和軌座等部分構(gòu)成。

圖1 刮板輸送機中部槽主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of middle trough of scraper conveyor

槽幫主要起到支承作用，是重要的承力結(jié)構(gòu)，通常采用鑄造工藝加工，要求具有一定的強度和剛度，其質(zhì)量占據(jù)整個中部槽結(jié)構(gòu)的40%左右。中板上面需要裝載煤礦物料，同時也要承受刮板鏈的重力，在上述作用力的影響下，中板產(chǎn)生明顯的摩擦，使得中板表面出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象。底板的作用是對回程刮板鏈進行支承。以上結(jié)構(gòu)主要通過焊接方式進行裝配。

實踐過程中，由于中板結(jié)構(gòu)需要承受明顯的摩擦力，所以其使用壽命不是很長，容易出現(xiàn)故障，不利于刮板輸送機的連續(xù)可靠運行。基于此，有必要對中部槽中板結(jié)構(gòu)的摩擦磨損現(xiàn)象進行研究，在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化改進措施，以改善中板結(jié)構(gòu)的磨損問題，延長零部件的使用壽命，為刮板輸送機的運行穩(wěn)定性奠定堅實的基礎(chǔ)。

2 中部槽有限元模型的建立

2.1 三維模型的構(gòu)建

中部槽結(jié)構(gòu)是刮板輸送機中非常重要的承力結(jié)構(gòu)件，不同型號的刮板輸送機使用的中部槽結(jié)構(gòu)大體相同，但是細節(jié)部位存在一定的差異。以SGZ1000×3×1000型刮板輸送機中使用的中部槽結(jié)構(gòu)實際尺寸建立三維幾何模型，使用UG軟件?？紤]到是對中部槽結(jié)構(gòu)的摩擦磨損行為進行研究，而摩擦磨損是高度的非線性求解問題，計算時特別容易出現(xiàn)不收斂的現(xiàn)象。為簡化計算過程，將中部槽結(jié)構(gòu)中對計算結(jié)果影響不明顯的部位進行簡化處理，比如倒角、倒圓、小孔洞等。通過模型簡化可以加快計算時的收斂速度，但對計算結(jié)果精度不會產(chǎn)生明顯的影響。

利用6個方塊模擬煤礦物料，可以在方塊上施加不同的載荷以模擬物料的不均勻分布情況，研究載荷不均勻?qū)δΣ聊p問題的影響，如圖2所示。

圖2 刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of middle trough structure of scraper conveyor

2.2 有限元模型的建立

在UG軟件中建立三維模型后導出為IGS通用格式，再導入到ANSYS軟件中進行后續(xù)的網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、載荷定義等。

(1)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)對有限元模型的計算過程和結(jié)果精度均有重要的影響，需要重點考慮網(wǎng)格單元的類型及網(wǎng)格單元尺寸[8]。本模型中選用六面體單元作為網(wǎng)格類型，網(wǎng)格尺寸方面根據(jù)軟件自動進行設(shè)置。最終劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點數(shù)量分別為13 546和15 432個。

(2)材料定義。正確設(shè)置材料屬性是確保模型計算結(jié)果準確性的基礎(chǔ)和前提。本模型涉及2種材料屬性，分別為中部槽中板結(jié)構(gòu)材料屬性和煤礦物料材料屬性。其中中部槽中板結(jié)構(gòu)采用16Mn2材料生產(chǎn)加工制作，對應的密度為7 800 kg/m3、彈性模量為2.12×1012Pa、泊松比為0.31；煤礦物料的密度為2 600 kg/m3、彈性模量為2.00×1010Pa、泊松比為0.35。

(3)施加載荷。由于煤礦井下工作環(huán)境較為復雜，煤礦物料在刮板輸送機中的分布也比較復雜。為了更好地反映刮板輸送機的實際情況，研究模擬了2種工況條件下中部槽的模型情況，分別為沿程分布不均和橫向局部堆積。在沿程分布不均條件下，4—6號煤塊載荷設(shè)置為P，1—3號煤塊載荷設(shè)置為1.6P；在橫向局部堆積條件下，將1號和5號煤塊載荷設(shè)置為1.6P，其他煤礦載荷設(shè)置為P。

3 中部槽結(jié)構(gòu)的摩擦接觸結(jié)果分析

3.1 結(jié)果分析與討論

(1)中板的應力分布情況。為不同工況條件下中部槽中板部位的應力分布如圖3所示。由圖3可知，在沿程分布不均和橫向局部堆積兩種工況條件下，中板結(jié)構(gòu)的應力分布規(guī)律基本相同，不同位置的應力值呈現(xiàn)出很大的不均勻性，中板的中間區(qū)域應力相對較大，與中間部位距離越遠則應力越小。但是在中板的兩側(cè)邊緣部位也出現(xiàn)了明顯的應力集中現(xiàn)象。煤礦物料橫向局部堆積的條件下，中板中部區(qū)域的應力值在458～687 kPa范圍內(nèi)，應力的最大值為687.939 kPa。在煤礦物料沿程分布不均的條件下，載荷分布越大的部位，中板的應力值越大，最大應力值出現(xiàn)在2號煤塊區(qū)域，為668.749 kPa。

圖3 不同工況時中部槽中板的應力分布云圖Fig.3 Stress distribution cloud diagram of the plate in the middle groove under different working conditions

(2)中板的接觸應力分布情況。不同工況條件下中部槽中板部位的接觸應力分布云圖如圖4所示。由于接觸應力描述的是煤礦物料與中板發(fā)生接觸時產(chǎn)生的應力，因此圖中只顯示了煤塊與中板接觸部位的應力情況。由圖4可知，接觸應力與煤礦所受力呈正比。在煤礦物料橫向局部堆積的條件下，1號和5號煤礦對應的接觸應力較大，且最大接觸應力出現(xiàn)在位于中間的5號煤塊，最大接觸應力值為230.266 kPa，其他煤塊對應的接觸應力相對較小。在煤礦物料沿程分布不均的條件下，1號、2號、3號煤塊對應的接觸應力較大，4號、5號、6號煤塊對應的接觸應力相對較小，且位于中間部位的2號煤塊的基礎(chǔ)應力最大，最大接觸應力值為217.808 kPa。

圖4 不同工況時中部槽中板的接觸應力分布云圖Fig.4 Contours of contact stress distribution of the plate in the middle groove under different working conditions

3.2 存在的問題分析

基于以上分析可以看出，刮板輸送機在不同的工況條件下運行時，整體的受力存在很大的不均勻性，應力和接觸應力更多地集中在中板結(jié)構(gòu)上。并且中板結(jié)構(gòu)中，處于寬度中間部位以及邊緣部位出現(xiàn)了明顯的應力集中現(xiàn)象，尤其是在中間部位的應力集中現(xiàn)象更加明顯。已有的理論和實踐經(jīng)驗均表明，2個物體發(fā)生接觸并產(chǎn)生相對運動時，局部應力集中現(xiàn)象會迅速加劇該部位的磨損。中板結(jié)構(gòu)中部位置和邊緣位置出現(xiàn)的應力集中現(xiàn)象，說明這2個位置特別容易產(chǎn)生摩擦磨損問題，加劇終板結(jié)構(gòu)的損壞。在橫向局部堆積和沿程分布不均2種條件下，煤塊和中板之間的接觸應力出現(xiàn)了明顯的差異，煤塊質(zhì)量越大，則接觸應力越大。接觸應力的不均勻分布會進一步加劇中板磨損。

實踐過程中，中部槽結(jié)構(gòu)中板的中間部位和邊緣部位特別容易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，這與本文的模擬研究結(jié)果相同，說明了本文所建立模型的正確性[9]。鑒于以上實際情況，有必要對中板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，以提升中板的耐磨性，延長中部槽結(jié)構(gòu)的使用壽命，為刮板輸送機的長時間可靠穩(wěn)定運行奠定堅實的基礎(chǔ)。

4 中部槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進與應用

4.1 優(yōu)化改進

(1)優(yōu)化改進思路。已有的理論和實踐經(jīng)驗表明，相互摩擦的界面如果存在凹坑，可以在一定程度上降低接觸面的摩擦磨損現(xiàn)象[10]。出現(xiàn)這種情況的原因可以歸結(jié)為3個方面：①凹坑內(nèi)會存儲空氣，接觸面在相互運動時導致凹坑內(nèi)的壓強增大，形成一定負壓，降低接觸面之間的壓力；②凹坑內(nèi)部空間可以儲存硬質(zhì)顆粒，避免硬質(zhì)顆粒在接觸面之間造成磨粒磨損；③在加工凹坑時會導致凹坑周圍材料的硬度增加，提升附近材料的耐磨性。根據(jù)該思路，擬在中部槽中板表面設(shè)置圓形凹坑，以提升中板結(jié)構(gòu)的耐磨性。板材表面凹坑的形態(tài)及其分布情況會對其耐磨性產(chǎn)生一定的影響，為了得到最優(yōu)的凹坑數(shù)據(jù)，共設(shè)置了4個變量，分別為直徑A、深度B、縱向距離C、橫向距離D。其中，A在2～4 mm范圍內(nèi)間隔1 mm取值，B在3～7 mm范圍內(nèi)間隔2 mm取值，C、D在30～50 mm范圍內(nèi)間隔10 mm取值。根據(jù)正交實驗的基本思想，共列出了9組實驗方案，優(yōu)化對比實驗方案見表1。

表1 優(yōu)化對比實驗方案Tab.1 Optimize the comparison experiment plan

基于以上結(jié)構(gòu)參數(shù)，同樣利用UG和ANSYS軟件建立中部槽結(jié)構(gòu)的有限元模型并開展模擬分析工作，提取中部槽中板的應力分布情況以及接觸應力分布情況。對不同實驗方案結(jié)果進行對比研究，獲得最優(yōu)的凹坑結(jié)構(gòu)參數(shù)。需要說明的是，工況條件全部設(shè)置為沿程不均勻分布。中部槽中板表面凹坑形狀及分布如圖5所示。

(2)中板應力分布比較。9組實驗方案中中部槽中板結(jié)構(gòu)應力最大值、平均值及其標準差的比較如圖6所示，圖6中，虛線所示為優(yōu)化前中板的應力最大值。凹坑的結(jié)構(gòu)參數(shù)對中板結(jié)構(gòu)表面的應力分布影響情況比較復雜，9組實驗方案對應的最大應力值和平均應力值并沒有表現(xiàn)出很明顯的規(guī)律?？紤]到最大應力值對磨損影響較大，本文主要以最大應力值進行比較分析。可以看出，第1、第2、第3、第7、第9組實驗的最大應力值比優(yōu)化前要小，但只有第1、第3組的減小幅度比較明顯，第2、第7、第9組的減小幅度不明顯，其他組實驗反而比優(yōu)化前的最大應力值要大，不可取?；谝陨戏治隹梢钥闯?，從中板最大應力值角度出發(fā)，第1組實驗方案為最優(yōu)方案、其次為第3組實驗方案，其他實驗方案不可取。

圖5 中部槽中板表面凹坑形狀及分布Fig.5 Shape and distribution of pits on surface of middle plate in middle groove

圖6 不同實驗方案中板應力分布比較Fig.6 Comparison of plate stress distribution in different experimental schemes

(3)中板接觸應力分布比較。9組實驗方案中中部槽中板結(jié)構(gòu)接觸應力最大值、平均值及其標準差的比較如圖7所示，圖7中虛線所示為優(yōu)化前中板的接觸應力最大值。凹坑的結(jié)構(gòu)參數(shù)對中板結(jié)構(gòu)表面的接觸應力分布影響情況同樣非常復雜，沒有表現(xiàn)出很明顯的規(guī)律。由于接觸應力最大值可以更好地描述中板結(jié)構(gòu)的磨損情況，因此同樣以接觸應力最大值為標準開展比較分析工作?？梢钥闯?，第3、第4、第5組實驗的最大接觸應力值比優(yōu)化前要小，其他組實驗方案的最大接觸應力值比優(yōu)化前要大，或者降低程度不明顯，均不可取?；谝陨戏治隹梢钥闯觯瑥闹邪遄畲蠼佑|應力值角度出發(fā)，第3組實驗方案為最優(yōu)方案、后續(xù)依次為第4組和第5組實驗方案，其他實驗方案不可取。

圖7 不同實驗方案中板接觸應力分布比較Fig.7 Comparison of plate contact stress distribution in different experimental schemes

綜合中部槽中板結(jié)構(gòu)應力和接觸應力的比較結(jié)果，最終確定第3組實驗為最優(yōu)方案。在相同工況條件下，與優(yōu)化前相比較，中板結(jié)構(gòu)的最大應力和最大接觸應力分別降低了10.17%和7.51%。最大應力和接觸應力的降低，可有效緩解中部槽中板結(jié)構(gòu)的摩擦磨損問題，提升該結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4.2 應用效果評估

對于刮板輸送機而言，中部槽結(jié)構(gòu)是使用量較多的零部件，且在實踐應用過程中，中部槽結(jié)構(gòu)特別容易出現(xiàn)故障，最顯著的就是磨損，中部槽結(jié)構(gòu)的使用壽命對刮板輸送機的使用壽命有直接影響。為了檢驗中部槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進效果，將優(yōu)化改進后的結(jié)構(gòu)應用到SGZ1000×3×1000型刮板輸送機中，對中板結(jié)構(gòu)的磨損情況進行了統(tǒng)計分析，刮板輸送機投入使用后共計運輸600多萬t煤礦物料。由于煤礦實際工作環(huán)境復雜，不同中部槽中板結(jié)構(gòu)的磨損情況存在一定程度差異，將所有中部槽中板結(jié)構(gòu)的磨損程度劃分成為3類，分別為重度、中度和輕度，在3種程度的中部槽中分別選取2個進行測量，共計測量了6個中部槽結(jié)構(gòu)。需要測量中板結(jié)構(gòu)左邊、右邊和中間部位的磨損情況，其中中板的原始厚度為40 mm，6個中部槽中板結(jié)構(gòu)不同部位的磨損情況如圖8所示。由圖8可知，中板結(jié)構(gòu)左邊、右邊和中間部位的磨損量分別在2.2～4.7、2.8～4.7、4.0～6.6 mm內(nèi)，平均值分別為3.6、3.6、4.9 mm。實際執(zhí)行中，要求中部槽中板結(jié)構(gòu)的磨損量不得超過原始厚度的1/3。按照以上統(tǒng)計結(jié)果，中部槽結(jié)構(gòu)可以運輸?shù)拿旱V物料質(zhì)量超過了2 000萬t。優(yōu)化改進前中部槽結(jié)構(gòu)可以運輸?shù)拿旱V物料質(zhì)量約為1 500萬t，通過對中板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進中部槽結(jié)構(gòu)的使用壽命提升了25%左，達到了預期效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，具有很大的推廣應用價值。

圖8 優(yōu)化后中板結(jié)構(gòu)的磨損量統(tǒng)計結(jié)果Fig.8 Statistical results of wear volume of optimized middle plate structure

5 結(jié)論

以SGZ1000×3×1000型刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)為研究對象，對摩擦磨損行為進行了模擬分析，并開展了優(yōu)化改進工作。

(1)利用UG和ANSYS軟件建立了中部槽結(jié)構(gòu)的接觸摩擦有限元模型，分析了中板部位的應力分布和接觸應力分布情況，發(fā)現(xiàn)局部應力集中現(xiàn)象是導致中板容易產(chǎn)生磨損問題的主要原因。

(2)通過在中板表面設(shè)置凹坑來降低摩擦磨損現(xiàn)象，并對凹坑的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其排布距離進行了優(yōu)化設(shè)計。最終確定凹坑直徑、深度、縱向距離和橫向距離分別為2、7、50、50 mm。

(3)將優(yōu)化改進后的中部槽結(jié)構(gòu)應用到刮板輸送機工程實踐中，并對其實際運行效果進行了測試，發(fā)現(xiàn)中部槽結(jié)構(gòu)的使用壽命與優(yōu)化前相比，提升了25%左右，經(jīng)濟效益顯著。

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