王嘉瑋

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

在煤礦的自動(dòng)化開采過程中，帶式輸送機(jī)是進(jìn)行煤炭輸送的主要設(shè)備，可以依據(jù)礦井巷道的位置、地形進(jìn)行布置，實(shí)現(xiàn)煤炭的高效輸送。隨著煤礦綜采技術(shù)的快速發(fā)展，巷道開采的速度不斷加快，消耗的回采巷道的數(shù)量不斷上升，對(duì)巷道掘進(jìn)的效率提出了較高的要求。由于采掘比的失調(diào)，容易造成煤礦整體效率的降低，不利于煤礦的經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)。采用自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)，配合轉(zhuǎn)載機(jī)的方式替代傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)，可以提高自移機(jī)尾對(duì)不同巷道的適應(yīng)性，進(jìn)一步提高帶式輸送機(jī)進(jìn)行巷道布置的效率，從而提高巷道掘進(jìn)的效率，緩解采掘比失調(diào)的問題。自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)的中間架結(jié)構(gòu)是進(jìn)行煤炭輸送的主要的承載結(jié)構(gòu)，承受的載荷作用復(fù)雜，對(duì)其承載的能力具有較高的要求。采用數(shù)值模擬的形式對(duì)中間架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而保證其承載能力，提高機(jī)架的適應(yīng)性及可靠性，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)中間架分析模型的建立

自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)整體帶有動(dòng)力裝置，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的提升、推移及位置調(diào)整，主要由動(dòng)力單元、機(jī)尾及中間架三部分構(gòu)成。中間架承受煤炭輸送的載荷作用，且為轉(zhuǎn)載機(jī)提供搭接的支撐，承受的載荷作用較大。

依據(jù)中間架的結(jié)構(gòu)建立三維模型，在建模過程中，對(duì)中間架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，對(duì)圓角、倒角、固定筋板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣可以提高網(wǎng)格劃分的精度及計(jì)算的速度，提高分析效率，在模型中假設(shè)焊接位置處的強(qiáng)度與材料內(nèi)部的強(qiáng)度一致，并對(duì)架體結(jié)構(gòu)件的圓角及螺紋孔等零件強(qiáng)度、剛度的影響忽略，經(jīng)過建模得到中間架的模型如圖1所示。

將建好的三維模型導(dǎo)入到仿真模擬軟件ANSYS中，啟動(dòng)workbench，將模型導(dǎo)入。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)計(jì)算分析的過程具有重要的影響，網(wǎng)格的密度越高則計(jì)算的準(zhǔn)確性越高[1]，但會(huì)造成計(jì)算過程的耗時(shí)較長(zhǎng)，因此只對(duì)主要的承載面進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)密劃分，非主要的分析面上網(wǎng)格較為粗大，采用自由網(wǎng)格的形式對(duì)中間架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到機(jī)架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證[2]。

圖1 中間架機(jī)架結(jié)構(gòu)模型

中間架在工作過程中通過固定耳進(jìn)行吊裝轉(zhuǎn)移，支腿支撐在地面上，因此對(duì)支腿位置施加固定約束，固定耳處進(jìn)行載荷的施加。機(jī)架結(jié)構(gòu)在工作過程中主要受到自身的重力作用、輸送的煤炭及輸送帶帶來的壓力[3]、轉(zhuǎn)載機(jī)通過搭接小車帶來的壓力作用及推移過程中受到的拉力作用。煤礦進(jìn)行煤炭輸送的過程為連續(xù)輸送，機(jī)架受到的拉力作用為設(shè)備在最大傾斜角度工作時(shí)滿載狀態(tài)下重力作用的分量與受到的行走阻力作用之和。機(jī)架結(jié)構(gòu)采用Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行焊接而成[10]，設(shè)定模型的材質(zhì)參數(shù)，其密度為7 852 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，對(duì)其應(yīng)力及位移變形進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)中間架結(jié)構(gòu)的分析

2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

圖2 中間架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

依據(jù)建立的模型，對(duì)自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)的應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，得到中間架機(jī)架的應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2中可以看出，在中間架的結(jié)構(gòu)中，機(jī)架架體托輥的支撐結(jié)構(gòu)及搭接小車軌道的位置處受到的應(yīng)力作用較小，均小于50 MPa，小于材料的屈服極限235 MPa，在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)；中間架機(jī)架的提升固定耳處受到的應(yīng)力作用最大，最大應(yīng)力作用為143.9 MPa，固定耳處的應(yīng)力值同樣小于材料的屈服極限，機(jī)架的強(qiáng)度滿足系統(tǒng)的使用需求。同樣可以看到，中間架架體的固定耳處產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中作用，這是由于自移機(jī)尾工作的過程中，中間架體通過提升固定耳處的位置實(shí)現(xiàn)整體的移動(dòng)，受到的彎矩作用較大，造成一定的應(yīng)力集中作用[5]。應(yīng)力集中的存在，不利于機(jī)架的使用壽命，應(yīng)針對(duì)固定耳處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減小應(yīng)力集中的作用。

同時(shí)，在機(jī)架的應(yīng)力分布中，在支撐立柱與橫梁相連接的位置受到的應(yīng)力作用也較大，這是生產(chǎn)過程中進(jìn)行焊接加工的位置，應(yīng)特別注意此處焊縫的質(zhì)量，并對(duì)焊縫進(jìn)行整體的噴砂處理，釋放焊接應(yīng)力，避免焊縫受到的應(yīng)力過大，產(chǎn)生脫焊等故障，影響機(jī)架的使用壽命。

2.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)的位移變形分析

依據(jù)建立的模型，對(duì)自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)的位移變形進(jìn)行數(shù)值模擬，得到中間架機(jī)架的整體位移變形分布如圖3所示。從圖3中可以看出，中間架架體的最大位移變形為1.262 mm，最大位移變形位于中間架的連接耳及滑靴的位置處，這是由于機(jī)架在受到拉力作用時(shí)，架體的連接耳處受到的拉力作用最大，同時(shí)此處距離中間架架體的固定底座耳的位置較遠(yuǎn)，受到位移疊加的影響，造成此處的整體位移最大。最大的位移量相對(duì)機(jī)架的整體尺寸較小，滿足機(jī)架結(jié)構(gòu)的剛度使用需求。

圖3 中間架結(jié)構(gòu)的整體位移分布云圖

對(duì)中間架結(jié)構(gòu)的主方向Z向位移變形進(jìn)行分析，得到Z向的位移分布如圖4所示。從圖4中可以看出，中間架的架體Z向最大位移位于4組底座固定耳位置處，這是由于此處受到的應(yīng)力作用最大，最大應(yīng)力值為0.055 mm，滿足機(jī)架結(jié)構(gòu)的使用需求。

圖4 中間架結(jié)構(gòu)的Z向位移分布云圖

3 結(jié)論

自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)配合轉(zhuǎn)載機(jī)的使用能夠在煤礦巷道掘進(jìn)的過程中，通過自身動(dòng)力的位置移動(dòng)調(diào)整，提高帶式輸送機(jī)的布置效率，從而提高巷道的掘進(jìn)效率，改善煤礦采掘比失調(diào)的問題。在自移機(jī)尾式帶式輸送機(jī)工作的過程中，中間架受到的載荷作用較為復(fù)雜，對(duì)其結(jié)構(gòu)性能具有較高的要求。采用有限元模擬仿真的形式對(duì)中間架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，結(jié)果表明：中間架的固定座耳受到的應(yīng)力及彎矩作用最大，產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)固定座耳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，減小應(yīng)力集中的作用；機(jī)架結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力值較小，滿足系統(tǒng)的強(qiáng)度需求；中間架結(jié)構(gòu)的最大位于中間架的連接耳及滑靴的位置處，位移值相對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的尺寸較小，滿足系統(tǒng)的剛度需求。對(duì)中間架進(jìn)行焊接加工的過程中，要保證焊縫的質(zhì)量，并對(duì)焊縫進(jìn)行去應(yīng)力處理，提高設(shè)備的使用壽命，提高煤礦的綜合效益。