基于正交試驗的刮板輸送機中部槽磨損試驗研究

任宇軒，龐新宇，李 博，王學(xué)文

(1.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

刮板輸送機是采煤工作面“三機”的關(guān)鍵設(shè)備之一，在很大程度上決定了煤炭生產(chǎn)能力和作業(yè)效率，其運行狀態(tài)直接決定了煤炭生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。刮板輸送機的工作狀況極其惡劣，在工作過程中受到拉、壓、彎曲、摩擦、沖擊和腐蝕的影響。中部槽中板作為刮板輸送機運輸物料的主要承載部件，在工作中會出現(xiàn)不同程度的磨損，嚴(yán)重時甚至影響工作面的正常生產(chǎn)[1-3]。

為此，眾多學(xué)者們對刮板輸送機中部槽的磨損行為進行了研究，趙運才[4]等采用摩擦學(xué)系統(tǒng)分析方法研究了中部槽摩擦學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得出中部槽磨損失效的類型主要是磨料磨損、腐蝕磨損，并在重載時可能發(fā)生黏著磨損。梁紹偉[5]等選用褐煤、焦煤、無煙煤三種煤料作為三體磨料進行不同條件磨損試驗，發(fā)現(xiàn)中部槽的磨損以無煙煤為磨料時最大，隨后是焦煤，褐煤最小，且磨損量與壓力和粒度正相關(guān)。史志遠[6]等研究了在不同矸石與水含量配比的煤料下，壓力與滑動速度對中部槽磨損的影響，得到磨損量隨壓力和滑動速度的增加而增加，隨著水、煤和矸石比例的增加而減少。王巧梅[7]通過熱處理方式得到了不同硬度的中部槽試樣，通過三體磨粒磨損試驗，得到中部槽磨損與其表面硬度成反比的規(guī)律。陳祖向[8]等利用UG建立了刮板輸送機的三維簡化模型，并在離散元軟件EDEM中進行仿真，得到中部槽磨損量隨著速度、煤料硬度、含矸率的增加而增加。文獻[9-12]也從不同角度研究了中部槽磨損規(guī)律。

此前考察中部槽磨損規(guī)律基本采用的是控制變量法，但對于實際運煤工況來說，明確哪些因素起主導(dǎo)作用至關(guān)重要，目前缺少結(jié)合其復(fù)雜工況綜合考察中部槽耐磨性的研究。本文從正交試驗角度入手，對多種中板材料進行了磨損試驗研究，旨在發(fā)現(xiàn)各因素對磨損量的影響規(guī)律和不同材料的耐磨性，并分析出哪些因素是主要影響中部槽磨損的因素，而哪些因素又對其磨損影響不大，為類似試驗提供理論依據(jù)。

1 試驗條件

1.1 試驗設(shè)備

參考JB/T 7506—94等磨粒磨損試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本試驗具體的工況，試驗設(shè)備采用ML-100C型磨粒磨損試驗機。試驗機外觀如圖1所示，ML-100C型磨粒磨損試驗機在ML-100型的基礎(chǔ)上改進了下底盤載料裝置，使其可以實現(xiàn)三體磨粒磨損狀態(tài)。該機主要模擬在砂石、礦石、泥沙等磨粒條件下的滑動磨損試驗，有三種工作方式(往復(fù)、旋轉(zhuǎn)和混合)，該試驗采用的是旋轉(zhuǎn)方式。工作時上試樣保持不動，載荷由砝碼施加。下試樣固定在下轉(zhuǎn)盤上，下轉(zhuǎn)盤和料槽由主電機通過輸送帶帶動。

圖1 ML-100C型磨粒磨損試驗機

1.2 試驗材料

上試樣采用16CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼來模擬刮板鏈與刮板，為了更好的符合實際工作中刮板鏈卡住煤顆粒等情況，在上試樣底面加工出斜面形成楔形試塊，試塊表面硬度為165HB。上、下試樣外形分別如圖2、圖3所示。

圖2 上試樣

圖3 下試樣

用來模擬中板的下試樣選取16Mn、NM360、NM400、NM450、NM500和HD400板6種材料，每組試驗將不同材料的6塊扇形圓環(huán)試樣拼合成一個圓環(huán)。下試樣的硬度值見表1。

表1 下試樣硬度值 HRA

1.3 試驗方法

將6塊下試樣按照一定順序拼合成環(huán)形并固定在下轉(zhuǎn)盤上，料槽中加入試驗所需條件的煤料，固定上試樣并按試驗方案來設(shè)置加載壓力和滑動速度，每次試驗時間均為8h。試驗指標(biāo)為質(zhì)量失重，試驗前后的稱重采用FA3204B型電子天平(精度為0.1mg)，每組試驗測量5次取平均值。中板試樣磨損前后形貌如圖4所示。

圖4 中板試樣

2 正交試驗

2.1 中部槽磨損影響因素

中部槽磨損是由于刮板機在生產(chǎn)運行中貨物、刮板以及刮板鏈對中部槽長時間的擠壓產(chǎn)生了摩擦，從而造成了中部槽的磨損。通常中部槽內(nèi)中板磨損最為嚴(yán)重，接下來是底板和槽幫。由于刮板(刮板鏈)、煤料和中板間發(fā)生的是三體磨損，故煤料性質(zhì)和環(huán)境因素是影響中部槽磨損的主要原因[13，14]。

1)磨料性質(zhì)影響。不同礦區(qū)開采的煤性質(zhì)相差很大，其變質(zhì)程度、抗碎強度、含水率、含矸率等有很大差異。煤料顆粒越大，對中部槽的沖擊和摩擦磨損越大。水分含量直接影響物料黏度，進而影響摩擦系數(shù)和磨損。含矸率越高，與中部槽接觸的矸石就越多，而矸石硬度遠大于煤料硬度，其對中部槽的磨損起主導(dǎo)作用。

2)環(huán)境因素影響。不同煤礦甚至同一煤礦的不同工作面，其刮板機工作時的鏈速不同，磨損速率也不同。單位時間內(nèi)落煤越多，刮板機中部槽上堆積的煤料越多，對中板造成的壓力越大。

2.2 正交試驗

綜上所述結(jié)合本試驗條件，選取了6個對中板磨損有影響的因素：煤種、煤料粒度、含水率、含矸率、壓力和加載速度。根據(jù)以往中部槽磨損試驗經(jīng)驗和正交試驗設(shè)計的特點，每個因素選取3個水平[15]，進行“六因素、三水平”L18(36)正交試驗，正交試驗水平表見表2。

表2 因素水平表

三種煤的性質(zhì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 三種煤的性質(zhì)

正交試驗設(shè)計方案及磨損結(jié)果見表4。

表4 正交試驗設(shè)計方案及結(jié)果 mg

3 結(jié)果分析

為研究各因素對中板材料磨損量影響的重要程度，選取NM450板的磨損量進行直觀分析。同時，為盡可能減小試驗誤差對結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，還采用了相應(yīng)的方差分析方法，評估各因素對結(jié)果影響的顯著程度。

3.1 直觀分析

由表4中NM450板磨損量實驗數(shù)據(jù)可以看出，在第1組試驗(A1B1C1D1E1F1)條件下，即煤種A、2～4mm粒度、5%含水率、5%含矸率、0.7m/s滑動速度和10N的壓力下，磨損量最小。在第3組試驗(A1B3C3D3E3F3)條件下，即煤種A、6～8mm粒度、15%含水率、15%含矸率、0.9m/s滑動速度和30N的壓力下，磨損量最大。但表2中試驗參數(shù)范圍有36=729種組合，無法斷定第1組試驗條件是試驗參數(shù)范圍內(nèi)的磨損量最小方案。因此，需要對試驗結(jié)果作進一步分析。NM450板磨損量的極差分析表見表5。

表5 磨損量極差分析表

因素的極差R越大，該因素對磨損量的影響越大，由表5可獲得，磨損量對含水率最為敏感，其次是壓力和含矸率，對滑速、粒度和煤種類不敏感，各因素對中板材料磨損量大小的影響次序為(主)C→F→D→E→A→B(次)。

以各因素的三水平為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)條件下中板試樣磨損量為縱坐標(biāo)，得到各因素的水平與磨損量之間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出，含水率、含矸率和壓力三因素曲線縱向跨度大，代表其極差R的大小，而其余三因素曲線跨度則很小。曲線走向反映了不同水平對磨損量的影響，可以看到磨損量與粒度、含水率、含矸率、速度和壓力均呈正相關(guān)，其中與壓力近乎為線性關(guān)系，而對含水率、含矸率和速度先增加較慢后增加變快。含水率與壓力對磨損影響較大的原因是，在高含水率下，煤料黏度發(fā)生變化，與中部槽的摩擦系數(shù)增大，而在壓力較大的重載工況下，更容易超過中部槽表面微凸體的屈服極限，這兩者都能導(dǎo)致中部槽材料的磨損由磨粒磨損轉(zhuǎn)化為粘著磨損和磨粒磨損的混合。

圖5 各因素水平與磨損量關(guān)系

由圖5與極差分析表綜合得到，磨損量最大的工況是煤種A、6～8mm、含水率15%、含矸率15%、滑速0.9m/s、壓力30N，即磨損量最大的水平搭配為A1B3C3D3E3F3，該因素水平組合正是18組正交試驗中磨損量最大的第三組搭配。為使磨損量最小，工況為煤種B、粒度2～4mm，含水率5%，含矸率5%，滑速0.7m/s，壓力10N，即磨損量最小的水平搭配為A2B1C1D1E1F1，相較于試驗中磨損量最小的第一組A1B1C1D1E1F1，可以看到兩者只有A因素不同，即最優(yōu)搭配將第1組試驗中的煤種替換成了相應(yīng)使磨損量最小的水平，而煤種是對磨損量影響相對較小的因素，這也驗證了結(jié)論的準(zhǔn)確性。

3.2 方差分析

為了檢驗各因素影響的顯著性并對試驗誤差影響進行分析，利用上述數(shù)據(jù)進一步計算得到磨損量方差分析表，并求出F值。查F檢驗表知，F(xiàn)0.2(2，5)=2.3，F(xiàn)0.05(2，5)=5.8，F(xiàn)0.01(2，5)=13.3，其中含水率、壓力與含矸率的F值，均大于F0.05(2，5)，故認(rèn)為含水率、壓力和含矸率三因素對磨損量的影響顯著，其余三因素影響不顯著，且有95%的把握該結(jié)論正確。由方差分析得到的結(jié)果與極差分析得到的結(jié)果是一致的，在研究刮板輸送機中部槽磨損的試驗中，可以重點考察含水率、含矸率和加載壓力。

3.3 不同中板材料對比

由表3看出具體在每組試驗中，磨損量由大到小的材料依次為16Mn、NM360、NM400、HD400、NM450和NM500板，也就是說，材料的硬度越高，相應(yīng)的磨損量越小，進口的HD400板比NM400耐磨。取第1組和第3組試驗?zāi)p量，繪制與硬度的關(guān)系并線性擬合如圖6所示，兩組擬合曲線的決定系數(shù)R2均大于0.8，也就是說，不同試樣的磨損量與本身的硬度是線性負相關(guān)的。

表6 磨損量方差分析表

圖6 磨損量與硬度的關(guān)系

將六種材料的磨損量進行方差計算并作圖對比如圖7所示。含水率、含矸率和壓力三者在不同材料耐磨性中均起主要作用。不同材料的差異體現(xiàn)為，耐磨性越差的材料，三因素對磨損影響的顯著性越不明顯，雖然并非各材料的三因素F值均大于5.8，但各材料的含水率、含矸率和壓力三因素F值均大于2.3(相對顯著)，而煤種、粒度和速度表現(xiàn)為不顯著。

圖7 六種材料的各因素方差F值

4 結(jié) 論

1)在影響中部槽磨損的多個因素中，只有含水率、含矸率和壓力的影響顯著，煤種、粒度和速度是次要的，后期在類似中部槽磨損試驗的工況設(shè)計中，可以優(yōu)先考慮含水率和含矸率，簡化試驗設(shè)計過程，提高試驗效率。

2)中部槽磨損隨著含水率、含矸率、壓力的增加而增大，其中與壓力幾乎為線性關(guān)系，而對含水率和含矸率均先增加較慢后增加變快。在高含水率和重載情況下，磨損機制容易發(fā)生轉(zhuǎn)變而加劇了磨損。

3)中板試樣表面硬度越高，耐磨性越好，磨損量與試樣硬度近乎呈線性負相關(guān)。六種材料的耐磨性由低到高依次為16Mn、NM360、NM400、HD400、NM450和NM500，進口HD400板比NM400板耐磨，16Mn材料耐磨性最差。