基于ANSYS的刮板輸送機(jī)中部槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張曉文

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機(jī)作為現(xiàn)代綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，在承擔(dān)煤炭運(yùn)輸任務(wù)的同時(shí)，還具有采煤機(jī)導(dǎo)向和液壓支架推移支撐等作用。刮板輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是礦井高產(chǎn)、高效的保證，合理的中部槽關(guān)鍵尺寸是提高刮板輸送機(jī)綜合性能的基礎(chǔ)。為此，眾多科學(xué)家對刮板輸送機(jī)中部槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)分析研究，并給出了一些技術(shù)優(yōu)化方案。吳樂平[1]為了降低刮板輸送機(jī)的運(yùn)行故障，提高運(yùn)行效率采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對刮板輸送機(jī)中部槽的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化后其可靠性與壽命都有效提升，為刮板輸送機(jī)的中部槽優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)。周書穎[2]通過分析刮板輸送機(jī)負(fù)載境況下的特性，通過加入模糊控制理論，對刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度等進(jìn)行優(yōu)化，保持了載煤段長度為一定值，較好地實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)智能控制的可行性。杜貴云[3]對刮板輸送機(jī)的中部槽的寬度及中部槽中板的搭接形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提升整機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。鎮(zhèn)城底礦為提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，對SGZ

764/630型刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從整體上提高刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率。

1 刮板輸送機(jī)中部槽三維模型的構(gòu)建

SGZ 764/630型刮板輸送機(jī)的中部槽主要由鏟板槽幫、擋板、底板和搭接板等組成。通過建立三維模型對中部槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將模型導(dǎo)入到ANSYS模擬軟件中，分別分析了四種工況下中部槽的應(yīng)力分布狀況。對中部槽進(jìn)行優(yōu)化前需要進(jìn)行中部槽建模，選取5節(jié)中部槽進(jìn)行建模，將建立好的模型導(dǎo)入ANSYS模擬軟件，然后通過ANSYS DM插件對模型的可行性進(jìn)行監(jiān)測，在有限元軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分是十分必要的，網(wǎng)格劃分不得過于細(xì)致，這樣會加重電腦的計(jì)算負(fù)荷，但網(wǎng)格劃分過于粗同樣會使模擬的結(jié)果精確度下降，選定八點(diǎn)四面體網(wǎng)格劃分對模型進(jìn)行處理。中部槽模型網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1 中部槽模型網(wǎng)格示意圖

完成網(wǎng)格劃分后對其進(jìn)行應(yīng)力加載，當(dāng)中部槽進(jìn)行直行割煤時(shí)，分別對第一節(jié)凹端及第五節(jié)凸段進(jìn)行固定，剩余凸凹端的接觸默認(rèn)為無摩擦接觸。把采煤機(jī)滑靴的壓力作用于鏟板槽的幫板上，作用面積為兩者的接觸面積。前導(dǎo)向滑靴分別對煤壁及銷軌存在壓力。根據(jù)中部槽的材料特性對中部槽的物理屬性進(jìn)行設(shè)置，本文的中部槽材料選擇為6BM，中部槽材料屬性參照表詳見表1。

2 刮板輸送機(jī)中部槽的應(yīng)力仿真分析

表1 中部槽材料屬性參照表

模型建立完后，對直行割煤進(jìn)行模擬，研究其中部槽應(yīng)力分布情況。直行割煤下中部槽的應(yīng)力分布圖如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)直行割煤下中部槽的應(yīng)力（MPa）分布圖

從圖2可知，在采煤機(jī)進(jìn)行直行割煤的過程中，中部槽受到的最大壓應(yīng)力為399MPa，同時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在中部槽的鏟板槽幫的凸端位置，相比于應(yīng)力集中部位的應(yīng)力剩余位置的應(yīng)力值相差較遠(yuǎn)，應(yīng)力分布出現(xiàn)對稱軸的趨勢，每處應(yīng)力值都小于制作材料的屈服極限，因此采煤機(jī)在此工況下對中部槽損害較小，機(jī)械設(shè)備的磨損程度較低，使用壽命偏長。采煤機(jī)進(jìn)行斜切進(jìn)刀工作時(shí)，中部槽的第一節(jié)凹端和第四節(jié)凸端施加鉸接固定，剩余凸凹端的接觸默認(rèn)為無摩擦接觸，且將采煤機(jī)滑靴所受的應(yīng)力施加于鏟板上，接觸面積為兩者之間的作用面積[4]。采煤機(jī)斜進(jìn)刀中部槽應(yīng)力分布圖如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)斜進(jìn)刀中部槽應(yīng)力（MPa）分布圖

從模擬結(jié)果圖3可以看出，在采煤機(jī)進(jìn)行斜進(jìn)刀割煤的過程中，中部槽受到的最大壓應(yīng)力為356 MPa，同時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在中部槽的鏟板槽幫的凸端位置，相比于應(yīng)力集中部位的應(yīng)力剩余位置的應(yīng)力值相差較遠(yuǎn)，應(yīng)力分布出現(xiàn)對稱軸的趨勢，斜進(jìn)刀工況下，軌座、銷軌與中部槽受到的應(yīng)力值均小于材料屈服極限，當(dāng)中部槽的部件承載的應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度后，部件將會產(chǎn)生永久的變形，當(dāng)其應(yīng)力值超過部件屈服極限，部件將會發(fā)生破壞，降低礦井的運(yùn)輸效率。

3 優(yōu)化結(jié)果與模擬分析

刮板輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于運(yùn)輸量大，中部槽常常處于較大載荷的壓力下，磨損嚴(yán)重，特別是在槽幫啞鈴窩部位常常發(fā)生破壞。因此提升中部槽的剛度是非常有必要的，本文對中部槽槽幫啞鈴窩位置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以此來提升中部槽的剛度，提升部件的使用壽命。槽幫優(yōu)化前后示意圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖

在相同的條件下，對改進(jìn)后的中部槽進(jìn)行模擬研究，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力（MPa）分布圖

發(fā)現(xiàn)在相同的載荷及約束條件下，其余模擬條件保持不變，單一將結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型作為變量，圖中優(yōu)化后中部槽受到的最大應(yīng)力為1 462 MPa，與優(yōu)化前的最大應(yīng)力值比較有了一定的降低，根據(jù)其云圖的色彩顯示看出，優(yōu)化后中部槽的應(yīng)力集中分布區(qū)域有了一定的減少，應(yīng)力分布分散，不會出現(xiàn)單點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以有效地避免中部槽單點(diǎn)損壞，提升了中部槽使用壽命及其強(qiáng)度。優(yōu)化后中部槽的槽幫滿足其許用強(qiáng)度，能夠滿足其安全性要求。

為驗(yàn)證優(yōu)化效果，現(xiàn)場實(shí)踐對優(yōu)化后的刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行觀測。為了更好地檢測中部槽的槽幫磨損情況，對中部槽各部件的磨損進(jìn)行對比，對比厚發(fā)現(xiàn)，中部槽中板的平均厚度較設(shè)計(jì)的40 mm降低了3.6 mm，中板的平均厚度較設(shè)計(jì)的30 mm降低了1.56 mm，鏈道平均厚度磨損量較剩余部位的磨損量有了一定的增大，多磨損了1～2mm。由于本文中測量的尺寸均為槽口尺寸，所以中部槽的真實(shí)磨損量較測量值較小[5]?？梢钥闯鲚斔蜋C(jī)槽幫磨損量在合理的范圍內(nèi)，并會造成中部槽的斷裂，啞鈴處的壓潰破壞及變形等均未發(fā)生，實(shí)踐證明優(yōu)化效果顯著。

4 結(jié)論

1）鎮(zhèn)城底礦為保證刮板輸送機(jī)的運(yùn)行安全穩(wěn)定性，采用ANSYS數(shù)值模擬對采煤機(jī)直行及斜切割煤下中部槽受力情況分別進(jìn)行分析，給出了直行割煤及斜進(jìn)刀割煤下中部槽應(yīng)力分布情況。對模擬后的應(yīng)力集中部位槽幫部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，較好地解決了應(yīng)力集中，且中部槽的最大應(yīng)力載荷有所降低，有效提升了中部槽的使用壽命。

2）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)中部槽中板及底板的平均厚度均低于設(shè)計(jì)厚度，鏈道部位的磨損較其余部位多了1～2 mm，但中部槽未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞變形情況，保證了刮板輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行效率。