焦彥波
(潞安化工集團(tuán)常村煤礦,山西 晉城 046000)
潞安化工集團(tuán)常村煤礦采用立井開(kāi)采、水平盤(pán)區(qū)布置,分區(qū)通風(fēng)方式,主采3#煤層,煤層厚度為3.18~8.15 m,平均厚度6.02 m,采煤工藝為綜采放頂煤開(kāi)采,煤種為優(yōu)質(zhì)貧煤,核定生產(chǎn)能力為800 萬(wàn)t/a。井下綜采工作面主要采用西北天地奔牛SGZ1000/2000 型刮板輸送機(jī)進(jìn)行煤炭物料的輸送作業(yè)。該刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)與原煤的接觸與摩擦較為頻繁,中部槽結(jié)構(gòu)磨損較為嚴(yán)重,影響了中部槽結(jié)構(gòu)及刮板輸送機(jī)的使用壽命。針采用ANSYS 軟件對(duì)中部槽摩擦接觸情況進(jìn)行分析,針對(duì)性地對(duì)中部槽中板結(jié)構(gòu)進(jìn)行凹坑加工處理改造并確定相應(yīng)參數(shù)[1-6],提高設(shè)備的使用性能與使用壽命。
SGZ1000/2000型刮板輸送機(jī)主要由機(jī)頭、機(jī)尾、動(dòng)力部、過(guò)渡段、中部槽、電纜槽、刮板鏈、推移梁、機(jī)頭機(jī)尾擋板、機(jī)尾活擋板、活鏟板等部件組成。
中部槽是輸送機(jī)的主要組成部分,尺寸為1615 mm×1717 mm×560 mm。中部槽采用鑄焊封底結(jié)構(gòu),鏟板槽幫、擋板槽幫通過(guò)中板和底板焊接為一體,中部槽之間采用啞鈴銷(xiāo)聯(lián)接,擋板槽幫上鑄有推移耳。
以SGZ1000/2000 型刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)為例,采用UG 軟件建立中部槽的三維模型。中部槽特征尺寸如圖1,尺寸規(guī)格為1615 mm×1717 mm×560 mm。
圖1 中部槽特征尺寸示意圖(mm)
中部槽中的倒角、倒圓、小孔等結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦磨損行為影響不大,在三維建模時(shí)采用忽略處理。
利用UG 軟件建好三維模型后,導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行有限元的分析。在ANSYS 軟件中對(duì)中部槽結(jié)構(gòu)和煤料進(jìn)行材料屬性的定義。中部槽結(jié)構(gòu)采用16 Mn2材料,密度7800 kg/m3,彈性模量2.13×1012Pa,泊松比0.31;煤料密度1600 kg/m3,彈性模量1.99×109Pa,泊松比0.28。如圖2 所示,采用方塊代表煤料。采用SOLID 186 網(wǎng)格形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分,共得到網(wǎng)格數(shù)16 875 個(gè)。
圖2 中部槽結(jié)構(gòu)有限元模型
定義中部槽結(jié)構(gòu)與煤料之間的摩擦系數(shù)為0.23,法向剛度因子為0.1,計(jì)算時(shí)要考慮到兩者的自重。
利用ANSYS 軟件對(duì)建好模型中部槽中板結(jié)構(gòu)與煤料的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3。
圖3 中部槽中板結(jié)構(gòu)與煤料之間的接觸應(yīng)力
3.1.1 優(yōu)化改進(jìn)方案
經(jīng)技術(shù)調(diào)研,將中部槽中板結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行凹坑加工處理,可以有效地降低中板在工作時(shí)與煤料的摩擦磨損。原因分析:(1)中板凹坑加工中能促進(jìn)表面材料硬化現(xiàn)象,提高凹坑區(qū)域材料表面的硬度,連成片的凹坑能有效提高中板表面的耐磨性;(2)中板表面在凹坑加工過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域表面金屬材料凸起,成片凸起可在一起程度上架空在中板運(yùn)輸?shù)拿毫?,煤料與材料表面接觸面減小,有效降低摩擦磨損;(3)凹坑部位充填有小顆粒磨屑,煤料運(yùn)輸中可規(guī)避中板的部分磨損問(wèn)題。
3.1.2 最佳優(yōu)化改造參數(shù)
基于以上分析,對(duì)SGZ1000/2000 型刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面的凹坑加工處理優(yōu)化改造。中板表面凹坑的凹坑直徑、凹坑深度、凹坑的縱向和橫向間距三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其磨損行為較為重要,可取三個(gè)參數(shù)不同的數(shù)值進(jìn)行正交試驗(yàn),并進(jìn)行ANSYS軟件建模分析,進(jìn)而確定最佳優(yōu)化改造參數(shù)。
凹坑直徑參數(shù)設(shè)定3 mm、4 mm、5 mm,凹坑深度參數(shù)設(shè)定3 mm、4 mm、5 mm,凹坑縱向和橫向間距參數(shù)設(shè)定40 mm、50 mm、60 mm。根據(jù)以上參數(shù)建立9 種不同的模型,進(jìn)行ANSYS 軟件建模分析。中板結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 中板結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分析表
從圖中數(shù)據(jù)可知,中板結(jié)構(gòu)最大接觸應(yīng)力值達(dá)到154 704 Pa,平均接觸應(yīng)力也高達(dá)2 251.7 Pa,因此可認(rèn)定該設(shè)備中部槽中板接觸應(yīng)力高,摩擦磨損嚴(yán)重。從理論上確定了中部槽中板結(jié)構(gòu)的摩擦磨損情況,因此對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),提高其摩擦磨損能力、延長(zhǎng)使用壽命是非常有必要的。
從表1 數(shù)據(jù)可知,當(dāng)凹坑直徑、凹坑深度、凹坑橫向距離、凹坑縱向距離分別為3 mm、3 mm、40 mm、50 mm時(shí),中板結(jié)構(gòu)最大接觸應(yīng)力處于最小,數(shù)值為106 482 Pa,此時(shí)的平均接觸應(yīng)力為1 154.7 MPa。對(duì)比優(yōu)化改進(jìn)之前的數(shù)據(jù),中板結(jié)構(gòu)最大接觸應(yīng)力從154 704 Pa 降低至106 482 Pa,降低幅度達(dá)31.17%;平均接觸應(yīng)力從2 251.7 MPa 降低至1 154.7 MPa,降低幅度達(dá)48.71%。這一數(shù)據(jù)有力地說(shuō)明了改造后的中部槽中板結(jié)構(gòu)的摩擦力大幅度降低了,能減緩結(jié)構(gòu)的摩擦磨損。
對(duì)中部槽中板結(jié)構(gòu)按上述方案進(jìn)行優(yōu)化改造后,安裝在SGZ1000/2000 型刮板輸送機(jī)后投入到常村煤礦的生產(chǎn)實(shí)踐中。從改進(jìn)前后磨損現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,改造后中部槽中板結(jié)構(gòu)的磨損率從之前的0.037 4 mm/萬(wàn)t 降低至0.015 9 mm/萬(wàn)t;從2021 年8 月至今,改進(jìn)后的中部槽中板結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)失效情況,使用壽命大幅度提高。因此,對(duì)SGZ1000/2000 型刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面的凹坑加工處理優(yōu)化改造方案合理、可行,能有效提高中部槽結(jié)構(gòu)的耐磨損性能,能有效提高設(shè)備的使用壽命,安全經(jīng)濟(jì)效益顯著。