噴漿機(jī)螺旋給料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

許 晉

（西山煤電東曲礦機(jī)電科檢修隊(duì)， 山西 古交 030200）

引言

一直以來，煤礦安全生產(chǎn)備受煤礦企業(yè)、管理者和作業(yè)人員的關(guān)注。影響煤礦安全生產(chǎn)的因素包括有煤礦綜采設(shè)備的安全性、巷道的質(zhì)量及其支護(hù)效果。其中，煤礦綜采設(shè)備的安全性受制于其可靠性，屬于設(shè)備級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的問題；巷道的支護(hù)效果與其所選的支護(hù)方式及其參數(shù)密切相關(guān)；巷道的質(zhì)量與其成型速度和噴漿機(jī)的性能相關(guān)。噴漿機(jī)的性能直接決定噴漿量的大小和噴漿質(zhì)量，螺旋給料機(jī)構(gòu)作為噴漿機(jī)的關(guān)鍵零部件，其設(shè)計(jì)參數(shù)及制造工藝直接決定噴漿機(jī)的性能[1]。本文將在對(duì)噴漿機(jī)給料機(jī)構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)上，從機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和熱處理著手對(duì)噴漿機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 噴漿機(jī)的概述

噴漿機(jī)是目前應(yīng)用于礦上、隧道、建筑工程等領(lǐng)域噴射混凝土的設(shè)備，其主要依靠壓縮空氣為動(dòng)力，將已制備完成的混凝土通過管道輸送至噴嘴，并以高速垂直噴射至巷道表面，在巷道表面形成支護(hù)面。噴漿機(jī)發(fā)展至今，對(duì)于國外而言經(jīng)歷了柱塞式新型噴漿機(jī)、軟管擠壓泵式新型噴漿機(jī)到氣送式濕式混合物料噴漿機(jī)的發(fā)展；對(duì)于國內(nèi)而言，經(jīng)歷了從葉輪式混合物料噴漿機(jī)、柱塞式濕式混合物料噴漿機(jī)、SHP-1 型濕式混合物料噴漿機(jī)到HPC6 型潮式混合物料噴漿機(jī)的發(fā)展。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，國產(chǎn)噴漿主要存在如下問題：

1）國產(chǎn)噴漿機(jī)能耗較大。當(dāng)風(fēng)壓較小時(shí)容易造成管道阻塞；當(dāng)風(fēng)壓過大時(shí)容易導(dǎo)致物料回彈困難，進(jìn)而造成風(fēng)能的浪費(fèi)。

2）當(dāng)前噴漿機(jī)給料機(jī)構(gòu)摩擦大，導(dǎo)致設(shè)備被嚴(yán)重磨損。

3）當(dāng)前噴漿機(jī)的結(jié)構(gòu)及重量均較大，對(duì)其操作和維修帶來困難[2]。

本文以PJD6-I 型噴漿機(jī)為研究對(duì)象，該型噴漿機(jī)由于其耗能小、污染小、操作簡便等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于礦井巷道支護(hù)、隧道建設(shè)以及地鐵等施工項(xiàng)目中。該噴漿機(jī)以電機(jī)驅(qū)動(dòng)、其噴射能力為6 m3/h、采用手動(dòng)上料，其三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 PJD6-I 型噴漿機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖

2 螺旋給料機(jī)構(gòu)的有限元分析

PJD6-I 型噴漿機(jī)螺旋給料機(jī)構(gòu)通過焊接工藝將螺旋攪拌輸送葉片和攪拌軸連接為一體，為保證將混凝土混合均勻，該螺旋給料結(jié)構(gòu)的螺旋攪拌輸送葉片設(shè)計(jì)為變螺距、變直徑的螺旋葉片。該螺旋給料機(jī)構(gòu)共包括有5 組葉片。其中，相鄰兩組葉片為等螺距、等直徑葉片；另外兩組葉片為等螺距、變直徑葉片；最后一組葉片為反轉(zhuǎn)葉片[3]。

2.1 螺旋給料機(jī)構(gòu)有限元模型的搭建與設(shè)置

根據(jù)PJD6-I 型噴漿機(jī)螺旋葉片的具體參數(shù)并基于SolidWorks 完成螺旋葉片的建模，其三維模型如下頁圖2 所示。

將所搭建的螺旋葉片的三維模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，并根據(jù)其材料類型在ANSYS 軟件中完成屬性設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如下頁表1 所示。

根據(jù)螺旋葉片的運(yùn)行方式，將ANSYS 有限元仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其劃分為自由度為3、單元數(shù)目為205677、節(jié)點(diǎn)總數(shù)為300161，并根據(jù)其在實(shí)際運(yùn)行情況為其X、Y以及Z三個(gè)自由度添加對(duì)應(yīng)的約束。

圖2 螺旋葉片三維結(jié)構(gòu)示意圖

表1 螺旋葉片材料屬性設(shè)置

2.2 螺旋給料機(jī)構(gòu)有限元仿真結(jié)果的分析

基于ANSYS 軟件能夠完成對(duì)給料機(jī)構(gòu)的應(yīng)力和變形進(jìn)行仿真分析。

經(jīng)仿真分析可知，PJD6-I 型噴漿機(jī)在實(shí)際工作中其給料機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力發(fā)生在螺旋葉片與攪拌軸焊接的位置處，且其最大應(yīng)力值為186.97 MPa，滿足其焊接位置處的需用應(yīng)力。PJD6-I 型噴漿機(jī)給料機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中的最大變形發(fā)生于等螺距、等直徑的第一組螺旋葉片，且其變形量僅為0.997 19 mm。

綜上所述，從應(yīng)力和應(yīng)變兩方面分析其強(qiáng)度均滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。盡管，PJD6-I 型噴漿機(jī)螺旋給料機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生明顯的塑形變形，但其在實(shí)際生產(chǎn)中勢必會(huì)發(fā)生彈性變形[4]。為進(jìn)一步保證螺旋給料機(jī)構(gòu)各個(gè)參數(shù)的相互配合度，還需對(duì)其進(jìn)行一定的改善。

3 螺旋給料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 螺旋給料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)給料機(jī)構(gòu)螺旋葉片的有限元仿真結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)螺旋給料機(jī)構(gòu)中的螺旋葉片做如下改進(jìn)設(shè)計(jì)：

1）將當(dāng)前等厚度的鋼板替代為截面為等腰梯形的鋼板，此舉能夠避免螺旋葉片在實(shí)際工作中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而提升了螺旋葉片的使用壽命。

2）鑒于螺旋葉片長期在環(huán)境相對(duì)惡劣的環(huán)境中不斷摩擦、磨損。因此，將螺旋葉片的材質(zhì)替代為Mn13 更具耐磨性的材料，此舉能夠減少螺旋葉片在實(shí)際工作中的磨損量，進(jìn)而提升螺旋葉片的使用壽命。

3）改進(jìn)螺旋葉片在成型過程中的制造工藝和熱處理工藝。

3.2 螺旋葉片制造工藝的改進(jìn)

由于噴漿機(jī)螺旋葉片時(shí)刻保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，對(duì)螺旋葉片的強(qiáng)度和硬度要求較高。除了選用耐磨性更好的材料外，將部分螺旋葉片設(shè)計(jì)為等螺距、變直徑的形式，增加了螺旋葉片的制造難度。此外，螺旋葉片與攪拌軸的焊接工藝往往會(huì)造成殘余應(yīng)力大、變形較大的問題[5]。因此，需對(duì)螺旋葉片制造過程中下料、成型以及焊接等工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1）就下料環(huán)節(jié)而言，需嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行下料，并對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)如：外徑、內(nèi)徑以及切除角進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算；

2）為保證螺旋葉片螺距的精度要求，提前加工工藝用樣芯軸為基準(zhǔn)采用車床車刀加工螺旋葉片；

3）就焊接環(huán)節(jié)而言，首先將加工所得的螺旋葉片焊接為一個(gè)整體，再將其與攪拌軸焊接為一體。在實(shí)際焊接過程中，并嚴(yán)格按照焊接工藝說明進(jìn)行焊接，減少由于焊接而導(dǎo)致的變形。

3.3 螺旋葉片的熱處理強(qiáng)化措施

由于螺旋葉片在焊接時(shí)受熱不均勻，導(dǎo)致其發(fā)生塑形變形，進(jìn)而在材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是導(dǎo)致其壽命降低的關(guān)鍵原因。因此，在螺旋給料機(jī)構(gòu)生產(chǎn)過程中除了在焊接葉片時(shí)設(shè)計(jì)合理的焊接參數(shù)和合理安排焊縫外，還需采用合理的熱處理工藝已達(dá)到減小或消除內(nèi)部殘余應(yīng)力的目的。

為此，由于螺旋葉片材質(zhì)為Mn13，與其相配合焊接時(shí)應(yīng)力應(yīng)變最小的材料為45 號(hào)鋼，并在焊接成型后采用適當(dāng)熱處理工藝和調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行處理，已獲得綜合機(jī)械性能的機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)語

噴漿機(jī)作為巷道支護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要為巷道提供高速的混凝土，以在巷道表面形成一層支護(hù)面。為解決噴漿機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足，對(duì)噴漿機(jī)關(guān)鍵零部件螺旋給料機(jī)構(gòu)中的螺旋葉片的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、焊接工藝、成型工藝以及熱處理措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提升其使用壽命，進(jìn)而提升其性能，為巷道的支護(hù)效果提供支撐。