陳 明

（西山煤電集團有限責任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

刮板輸送機作為煤礦綜采工作面運煤和運料的主要運輸設(shè)備之一，鑒于煤礦井下作業(yè)環(huán)境惡劣，中部槽的強度、剛度、耐磨損能力較差，易發(fā)生故障，影響礦山的正常生產(chǎn)秩序。刮板輸送機中部槽作為輸送機重要的部件，其可靠性直接影響刮板輸送機的效率。眾多學者對刮板輸送機中部槽作了相關(guān)研究。賈會會[1]通過對刮板輸送機中部槽失效原因進行深入分析，給出了對刮板輸送機中部槽的優(yōu)化方案，并通過驗證發(fā)現(xiàn)，使用整鑄溜槽代替中部槽后可以有效增大其壽命周期與其工作性能。本文通過對刮板輸送機的中部槽受力進行分析，提出刮板輸送機中部槽的優(yōu)化方案，較好地提升了刮板輸送機中部槽的使用壽命和可靠性，為提升礦山經(jīng)濟作出了一定的貢獻。

1 刮板輸送機中部槽靜力學分析

對刮板輸送機的中部槽進行靜力學分析，選定ANSYS 數(shù)值模擬軟件進行分析，刮板輸送機中部槽在運行過程中受力復雜，不僅受到采煤機的重力、牽引力等，還會受到液壓支架的拉架力及推溜力等，所以對刮板輸送機的中部槽進行分析是一件相當復雜的工作。在不影響模擬精度的前提下對各種工況下的中部槽受力進行適當?shù)睾喕赃_到提升模擬效率的目的。中部槽模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中部槽模型結(jié)構(gòu)

圖1 中，G1為中部槽槽寬，設(shè)定為1.448 m；G2為中部槽內(nèi)壁至煤板外側(cè)的最大水平距離，設(shè)定為0.592 m；G3為中部槽槽幫厚度，設(shè)定為0.6 m；G4為鏟煤板的厚度，設(shè)定為0.114 m；G5為銷排中心距離槽幫的距離，設(shè)定為1.7 m；G6為中部槽中心至中心線的距離，設(shè)定為0.88 m；G7為中板厚度，設(shè)定為0.06 m；G8為銷排中心線距離槽幫邊緣的距離，設(shè)定為0.376 m；G9、G10為推移耳孔中心距離底面垂直距離，分別為0.142 m 和0.212 m；G11為內(nèi)壁至下孔中心線的水平距離，設(shè)定為0.52 m；α 為鏟煤板傾角，（°）。完成模型尺寸設(shè)定后，對模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時需要考慮到計算時間及精度，在保證計算精度的前提下，盡量降低模型單元網(wǎng)格數(shù)。本文網(wǎng)格劃分選定Solid185 六面體單元格劃分方式，完成網(wǎng)格劃分后，對模型的材料屬性進行設(shè)定，中部槽材料密度為7.8×103kg/m3，材料的彈性模量設(shè)定為202 GPa，材料泊松比設(shè)定為0.3，材料設(shè)定為各向同性。對模型進行約束設(shè)定，將中部槽三個端頭設(shè)定為固定約束，同時在三個接觸面節(jié)點的六個自由面均約束其X、Y、Z 方向的位移。完成模型設(shè)定后對模型進行模擬計算[2]。當采煤機完成一個步距時，此時刮板輸送機需要推進到下一個步距，此時為推溜。推溜工況下中部槽受力模擬云圖如下頁圖2 所示。

由下頁圖2 可以看出，中部槽在推溜工況下，整體應(yīng)力集中出現(xiàn)在推移耳及其上方的凸端頭、凹端頭、中板和槽幫位置，其中在槽幫及推移耳位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，此時承受推溜力的面應(yīng)力最大，應(yīng)力最大值為264.097 MPa，同時在凸端頭和推移耳的上方槽幫位置的應(yīng)力較大，應(yīng)力為200.453 MPa，此時的應(yīng)力值僅較推移耳承受載荷位置小。由此可以看出，中部槽及槽幫的受力大小隨著距離的增大逐步減小，不同位置受到的應(yīng)力不同，在長期的工作強度下，推移耳由于受到的強度較大，極易發(fā)生損壞，但由于受到的應(yīng)力未超過其屈服極限，所以不會發(fā)生斷裂[3]。

圖2 推溜工況下刮板輸送機中部槽應(yīng)力（MPa）分布

當刮板輸送機完成一個推溜過程后，此時的支架需要以刮板輸送機為支點，進行支架拉架前移，此時在刮板輸送機的中部槽結(jié)構(gòu)上反映為支架液壓缸一端固定另一端拉動支架，此過程稱為拉架。拉架工況下中部槽受力模擬云圖如圖3 所示。

圖3 拉架工況下刮板機中部槽應(yīng)力（MPa）分布

由圖3 可知，中部槽在拉架工況下，整體應(yīng)力集中出現(xiàn)在推移耳及凸端頭位置，同時在推移耳及其下方的底板位置受力較大，其中在槽幫及推移耳位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象最大，應(yīng)力最大值為205.536MPa，同時在凸端頭根部位置的應(yīng)力較大，為137.025 MPa，凹端頭的應(yīng)力值較小?？梢钥闯鲭m然拉架工況下刮板輸送機中部槽的整體受力較推溜工況下的中部槽整體應(yīng)力值小，但在長期高強度使用下，極易造成中部槽部件的變形及損傷[4]。

2 中部槽優(yōu)化設(shè)計

拓撲優(yōu)化本質(zhì)上是一種基于數(shù)學方法的優(yōu)化方法，主要是在一定的范圍內(nèi)尋找各種參數(shù)的最優(yōu)配比，以此達到優(yōu)化的目的。本文利用拓撲優(yōu)化方式對刮板輸送機中部槽進行優(yōu)化，根據(jù)先前兩種工況下中部槽的應(yīng)力云圖可以看出，中部槽遠離受力面的位置應(yīng)力均不大，在中部槽推移耳位置受力較大，所以需要對推移耳進行優(yōu)化設(shè)計。對優(yōu)化部位和不優(yōu)化部位進行尺寸切割，從而得到中部槽的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果可看出，當減小材料的百分比為75%時，此時的性能較好，優(yōu)化后拉架工況及推溜工況下中部槽應(yīng)力云圖如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后兩種工況下中部槽應(yīng)力云圖

由圖4 可知，當在推溜工況下時，此時的中部槽最大應(yīng)力值出現(xiàn)的位置在中部槽推移耳處，此時在中板連接推移耳的位置應(yīng)力值同樣較大，推移耳的最大應(yīng)力值為236.64 MPa，較優(yōu)化前推移耳處的應(yīng)力值有了一定的降低，優(yōu)化效果較好。當在拉架工況下時，此時的中部槽最大應(yīng)力值出現(xiàn)的位置在中部槽推移耳處，此時的底板位置應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，這是由于底板的材料尺寸減小，所以應(yīng)力增大，推移耳的最大應(yīng)力值為296.15 MPa，較優(yōu)化前推移耳處的應(yīng)力值有了一定的增大，但仍未超過材料的許用強度，起到了一定的減材增效作用，整體來說刮板輸送機的中部槽優(yōu)化效果較好，為降低成本提供一定的貢獻[5]。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對刮板輸送機中部槽進行數(shù)值模擬建模，給出了建模的過程及參數(shù)設(shè)定，為了對刮板輸送機中部槽靜力學分析作出一定的鋪墊。

2）利用數(shù)值模擬軟件對拉架工況及推溜工況下刮板輸送機中部槽應(yīng)力云圖進行分析，發(fā)現(xiàn)兩種工況下中部槽應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在推移耳處，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供條件。

3）通過拓撲優(yōu)化給出了中部槽的優(yōu)化方案，并通過數(shù)值模擬軟件對優(yōu)化后的方案進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后中部槽最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值，起到了減材增效的作用，優(yōu)化設(shè)計可行。