刮板輸送機(jī)中部槽優(yōu)化設(shè)計研究

劉 波

（山西長治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046000）

引言

我國煤炭資源儲量豐富，產(chǎn)煤量位居世界第一。統(tǒng)計表明，世界1/3 的煤炭資源產(chǎn)于中國，隨著能源的轉(zhuǎn)型，清潔能源的發(fā)展日益加速，但由于我國國民對能源需求量較大，且我國人口較多，使得清潔能源對于整體的能源需求可謂杯水車薪，所以煤炭資源仍是我國主要的能源消耗。礦山機(jī)械作為我國煤炭資源開采重要的機(jī)械設(shè)備之一，其性能的穩(wěn)定直接確定著礦井的生產(chǎn)效率。刮板輸送機(jī)作為礦井主要的運(yùn)輸設(shè)備，其主要承載著煤炭資源運(yùn)輸?shù)淖饔?，但在刮板輸送機(jī)運(yùn)輸過程中，由于礦井工作環(huán)境較為惡劣，使得刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中極易發(fā)生損壞，中部槽作為刮板輸送機(jī)的核心部件[1-2]，其受到惡劣工況的影響極易使關(guān)鍵部件發(fā)生故障，所以提升刮板輸送機(jī)中部槽的可靠性對于刮板輸送機(jī)的高效運(yùn)行十分重要[3-4]。本文以SGZ100/3×1000 型刮板輸送機(jī)為研究對象，利用數(shù)值模擬軟件對刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行優(yōu)化研究，為礦井刮板輸送機(jī)優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考與借鑒。

1 數(shù)值模擬分析

綜采工作面的設(shè)備主要有刮板輸送機(jī)、液壓支架、采煤機(jī)等，其共同完成工作面落煤、裝煤、運(yùn)煤等工作。刮板輸送機(jī)是通過傳動裝置帶動刮板鏈從而使得煤炭沿著機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)運(yùn)輸至裝置機(jī)上，所以其不但承載運(yùn)輸?shù)墓δ?，同時是采煤機(jī)行走的軌跡。刮板輸送機(jī)的中部槽根據(jù)刮板輸送機(jī)的類型不同也存在一定的不同，傳統(tǒng)的中部槽結(jié)構(gòu)可分為軋制槽幫鋼焊接中部槽、鑄造槽幫焊接中部槽、開底式和封底板式中部槽及整體鑄造中部槽。根據(jù)不同類型中部槽的特點(diǎn)，本文結(jié)合實際情況選定鑄造槽幫焊接，封底式中部槽類型，對中部槽進(jìn)行優(yōu)化研究。

為了研究刮板輸送機(jī)中部槽的受力特征，從而給出刮板輸送機(jī)中部槽易發(fā)生破壞的位置，首先進(jìn)行模型的建立。在進(jìn)行模型建立時，由于中部槽結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以在進(jìn)行模型建立時忽略模型的細(xì)小結(jié)構(gòu)，將模型的倒角、螺栓等進(jìn)行簡化，在Pro/E 軟件中進(jìn)行模型的建立，模型的尺寸設(shè)定為中部槽槽長1.75 m，模型分為五節(jié)，將建立好的模型導(dǎo)入ANSYS數(shù)值模擬軟件，導(dǎo)入模擬軟件后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分對于模擬的計算十分重要，其在一定程度上影響著計算的精度，所以為了保證一定的計算精度，盡量減少計算的時間是十分重要的。因此本文采用8 節(jié)4 點(diǎn)網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，劃分完成后共計316 872 個節(jié)點(diǎn)和195 847 個單元。中部槽網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 中部槽網(wǎng)格劃分

完成模型網(wǎng)格劃分后對模型的約束條件及物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，分別對不同工作狀態(tài)下的模型約束進(jìn)行設(shè)定，同時對中部槽的材料特性進(jìn)行設(shè)定，具體的材料特性見表1。

表1 材料特性參照

完成模型的材料選定及約束設(shè)定后，對模型進(jìn)行模擬研究，分別對直行割煤、斜進(jìn)刀割煤、推溜工作及拉架工作狀態(tài)下中部槽的受力情形進(jìn)行分析，給出四種工況下的中部槽應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。

圖2 不同工況下中部槽應(yīng)力（MPa）圖

由圖2-1 可知，直行割煤工況下最大的應(yīng)力值為399.9 MPa，此時的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在中部槽鏟板槽幫的凸出端，此時的應(yīng)力最大值小于材料的屈服極限，所以在直行割煤狀態(tài)下中部槽的損壞較小。由圖2-2 可知，刮板輸送機(jī)為斜進(jìn)刀狀態(tài)時的中部槽各部件應(yīng)力值均小于材料的屈服強(qiáng)度，最大的材料應(yīng)力值為356.1 MPa，考慮到斜進(jìn)刀工作時由于進(jìn)刀方式的不同，使得軌座位置極易出現(xiàn)開焊的情況，所以應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)軌座的焊接。由圖2-3 可知，當(dāng)刮板輸送機(jī)為推溜工況時，此時在410 t 拉力作用下，在槽幫的啞鈴窩位置會有一定的壓潰現(xiàn)象出現(xiàn)，此時中部槽會發(fā)生一定的塑性變形，但整體不會出現(xiàn)斷裂的情況。由圖2-4 可知，當(dāng)刮板輸送機(jī)為拉架工況時，此時在鏟板的槽幫端頭會出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時的最大應(yīng)力值為519.7 MPa（工況實際值），最大應(yīng)力值低于材料的屈服強(qiáng)度，所以不會發(fā)生較大的變形。

2 中部槽優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)對不同工況下刮板輸送機(jī)中部槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬研究，確定了槽幫啞鈴窩處為模型易發(fā)生破壞的位置，所以對中部槽的槽幫啞鈴窩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。中部槽槽幫主要由中板、底板、擋板槽幫和鏟板槽幫等組成，所以對中部槽進(jìn)行優(yōu)化也就是對中部槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)先前的研究對槽幫的啞鈴窩進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，將槽幫進(jìn)行加寬，提升其可靠性。完成優(yōu)化后對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定優(yōu)化設(shè)計的可行性。

由圖3 可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)未經(jīng)過優(yōu)化時，此時的應(yīng)力分布最大值為1 470 MPa，而優(yōu)化后的應(yīng)力分布最大值為1 461.5 MPa，從應(yīng)力分布云圖可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后應(yīng)力分布較優(yōu)化前有了一些改善，在相同位置的應(yīng)力值低于優(yōu)化前，中部槽的結(jié)構(gòu)得到了一定的改善，同時對比優(yōu)化前后應(yīng)力分布云圖可以看出，在槽幫外側(cè)的應(yīng)力分布較為均勻，且經(jīng)過優(yōu)化后應(yīng)力集中現(xiàn)象有了一些改善（深橘色區(qū)域面積減?。詢?yōu)化后的刮板輸送機(jī)中部槽受力情況得到了有效的改善，所以在進(jìn)行中部槽設(shè)計時應(yīng)當(dāng)對啞鈴窩進(jìn)行調(diào)整，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在不改變生產(chǎn)工藝的前提下有效地提升刮板輸送機(jī)中部槽的可靠性，為礦井高效開采打下基礎(chǔ)。

圖3 優(yōu)化前后應(yīng)力（MPa）分布云圖

3 結(jié)論

1）為了提升刮板輸送機(jī)中部槽穩(wěn)定性，本文給出了刮板輸送機(jī)中部槽數(shù)值模擬的建模過程，為后續(xù)的模擬研究奠定基礎(chǔ)。

2）通過對直行割煤、斜進(jìn)刀割煤、推溜工作及拉架工作狀態(tài)下中部槽的受力情形進(jìn)行分析，給出了刮板輸送機(jī)中部槽薄弱位置，為后續(xù)的優(yōu)化提供參考。

3）對中部槽啞鈴窩進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后應(yīng)力分布較優(yōu)化前有了一些改善，在相同位置的應(yīng)力值低于優(yōu)化前，中部槽的結(jié)構(gòu)得到了一定的改善。