選煤機排料系統中刮板結構優化研究

趙健翔

（霍州煤電團柏礦白龍洗煤廠， 山西 霍州 031412）

引言

目前，風力選煤和空氣重介質選煤是干法選煤的兩大技術途徑?？諝庵亟橘|選煤設備通過鼓風機得到壓縮空氣，將壓縮空氣通過布風板進入流化床，入選煤由選煤機上方入料口進入流化床，物料在流化床中，比重小的精煤上浮，比重大的矸石下沉，最后由刮板輸送機分別排出機外[1-2]。選煤機的結構如圖1所示。

圖1 空氣重介流化床選煤機示意圖

由圖1可以看出，鼓風機和刮板輸送機是干法選煤機的兩大主要工作部件。其中刮板輸送機尤其是其主要受力刮板是干法選煤機中最易損壞的零部件。其主要損毀方式包括刮板與精煤或矸石的磨粒磨損、刮板在大載荷運送散料下的塑性變形及刮板受到大塊矸石大沖擊載荷下的脆性斷裂三種情況。刮板的損壞會降低刮板輸送機的運行效率，甚至將刮板輸送機卡死，輕則導致洗煤機的停工影響生產，重則發生安全生產事故。因此，通過先進的設計方法對刮板結構進行優化是非常必要的。

1 刮板的受力分析

對于刮板的受力分析，我們假設一種惡劣的工況，當刮板受到矸石等硬物卡住后停止運動，此時刮板兩側傳動系統持續運動導致刮板與硬物之間有很強的相互作用，直至刮板將硬物破壞，刮板繼續正常運轉。在整個過程中刮板受到硬物的剪切力與傳動系統對刮板的彎曲應力。為計算方便，將硬物假設為金屬桿。此假設中包含硬物參數及運動參數如表1所示。

下面對刮板剪斷Q235代表的硬物的過程進行分析，其受力如圖2所示。

表1 硬物參數及運動參數表

圖2 刮板受力示意圖

圖中：v為刮板鏈運行速度，x和y為硬物移動的橫向和縱向，θ為刮板安裝的傾斜角度，L為刮板的長度，G為刮板自身重力，F1為傳動系統拉力，F2為散狀物料載荷的作用力，F3傳動系統對刮板的壓力，F4為硬物對刮板的作用力，F5為槽底對刮板的支撐力，F6為滑軌對刮板的壓力，F7及F8為刮板受到的摩擦力。

1）刮板對散裝物料的承載力與物料自重及摩檫力關系式：

式中：μ1為物料與槽底的靜摩擦系數，取0.1；G1為散狀物料的重力，取1 960 N；θ為刮板輸送機傾角，取22°30′。

2）傳動系統對刮板的壓力關系式：

式中：L為刮板長度，取800 mm；q0為單位長度傳動系統質量，取47.5 kg/m。

3）金屬桿受到剪切力關系式：

式中：r為金屬桿截面的半徑，S為金屬桿的截面面積，σc為斷裂強度。

圖2中的其他各項力學參數也可通過受力簡圖得到計算公式并予以計算。

2 刮板結構的分析優化

刮板主要的損壞方式包括磨損、彎曲和沖擊斷裂，我們僅對刮板受到大剪切應力導致折彎或斷裂進行仿真分析。刮板是一個變截面零件實體單元，在某些區域，當最大應力超過材料的許用應力時，會出現折彎甚至斷裂，影響刮板輸送部件及洗煤機整機的壽命。

下面利用UG10.0進行刮板建模，并用NX Nastran靜力學分析模塊進行仿真分析尋找現有刮板中的力學薄弱區域，并對其加強后進一步仿真，得到比強度較高的刮板結構形式。

2.1 刮板模型的建立

利用NX10.0對刮板主體及兩側Z型蓋板進行建模，并從零件庫調用螺栓螺母組件，建立刮板組件整體模型如圖3所示。

圖3 刮板組件模型

2.2 有限元模型建立

對上述刮板組件進行必要的理想化，去除無用倒角及孔洞，緊固件部分用RBE2單元進行1D單元連接，對刮板及螺釘進行材料選擇，并賦于實體上。刮板的理想化模型如圖4所示。

對理想化模型進行網格劃分，網格劃分的質量直接關系到靜力學分析的準確性，由刮板模型及力學普遍性規律可知，刮板薄弱處可能位于螺栓緊固件所處位置附近，因此，對該區域網格進行細化剖分，其余位置進行大網格剖分以保證計算速度。得到網格模型如圖5所示。

圖4 刮板理想化模型

圖5 網格劃分模型

選擇卡阻區域為約束面，在全局WCS坐標系下，選擇z方向為固定，其余x、y、rx、ry及rz均為自由；因刮板只能在半封閉的矩形溜槽內運動，約束面選擇溜槽與刮板組件接觸的底面區域，在全局WCS坐標系下，y軸平移固定，其他為自由；選擇刮板主體的兩端面為約束面，在全局WCS坐標系下，x軸平移固定，其他為自由[3]。選擇根據第一節中計算所得刮板載荷環境參數進行加載。

2.3 刮板組件仿真結果分析

采用NX Nastran求解器中的SOL101線性靜態-全局約束方案進行求解。結果選項中對全局RMS應力及形變進行輸出。得到結果云圖，如圖6、圖7所示。

圖6 刮板組件應力（MPa）云圖

圖7 刮板組件形變（mm）云圖

從圖6及其運行狀態可知：刮板的總質量為40 kg；最大應力出現在緊固件周圍，應力值為182.3 MPa，符合初期預期位置，根據所選材料力學參數及設計要求其安全系數為4，可以求得緊固件周圍最大應力大于許用應力，不滿足設計要求，其余位置均滿足設計指標。因此需對Z形蓋板及其緊固件周圍區域進行加強。

3 刮板組件結構優化及分析

根據上述仿真結果及其分析可知，需對Z形蓋板結構進行改進。根據刮板使用環境及受力情況，建立刮板模型，如圖8所示。

圖8 新版刮板結構示意圖

采取與第二節中刮板相同的材料及力學載荷進行有限元模型建立，得到其約束加載模型。

同樣采用NX Nastran求解器中的SOL101線性靜態-全局約束方案進行求解。結果選項中對全局RMS應力及形變進行輸出。得到結果云圖如圖9、圖10所示。

由上述分析結果可以看出，優化后的刮板組件總質量略低于優化前，為33 kg；最大應力位于傳動系統和蓋板連接處，為74.8 MPa，滿足所選材料的許用應力。因此，優化后的刮板組件結構可滿足選煤機刮板輸送組件使用條件。

圖9 新版刮板組件應力（MPa）云圖

圖10 新版刮板組件形變（mm）云圖

4 結論

1）選煤機排料系統工作環境復雜，尤其是刮板處于各種載荷共同作用下，因此對刮板進行優化設計使其滿足復雜工況使用條件尤為重要。

2）通過兩種刮板結構靜力學仿真分析，得出對刮板結構設計具有指導意義的結論。