噴漿機螺旋給料機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

許 晉

（西山煤電東曲礦機電科檢修隊， 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)備級到系統(tǒng)級的問題；巷道的支護效果與其所選的支護方式及其參數(shù)密切相關(guān)；巷道的質(zhì)量與其成型速度和噴漿機的性能相關(guān)。噴漿機的性能直接決定噴漿量的大小和噴漿質(zhì)量，螺旋給料機構(gòu)作為噴漿機的關(guān)鍵零部件，其設(shè)計參數(shù)及制造工藝直接決定噴漿機的性能[1]。本文將在對噴漿機給料機構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)上，從機構(gòu)的設(shè)計和熱處理著手對噴漿機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 噴漿機的概述

噴漿機是目前應(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面。噴漿機發(fā)展至今，對于國外而言經(jīng)歷了柱塞式新型噴漿機、軟管擠壓泵式新型噴漿機到氣送式濕式混合物料噴漿機的發(fā)展；對于國內(nèi)而言，經(jīng)歷了從葉輪式混合物料噴漿機、柱塞式濕式混合物料噴漿機、SHP-1 型濕式混合物料噴漿機到HPC6 型潮式混合物料噴漿機的發(fā)展。

在實際生產(chǎn)過程中，國產(chǎn)噴漿主要存在如下問題：

1）國產(chǎn)噴漿機能耗較大。當風壓較小時容易造成管道阻塞；當風壓過大時容易導(dǎo)致物料回彈困難，進而造成風能的浪費。

2）當前噴漿機給料機構(gòu)摩擦大，導(dǎo)致設(shè)備被嚴重磨損。

3）當前噴漿機的結(jié)構(gòu)及重量均較大，對其操作和維修帶來困難[2]。

本文以PJD6-I 型噴漿機為研究對象，該型噴漿機由于其耗能小、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、隧道建設(shè)以及地鐵等施工項目中。該噴漿機以電機驅(qū)動、其噴射能力為6 m3/h、采用手動上料，其三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 PJD6-I 型噴漿機三維結(jié)構(gòu)示意圖

2 螺旋給料機構(gòu)的有限元分析

PJD6-I 型噴漿機螺旋給料機構(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)計為變螺距、變直徑的螺旋葉片。該螺旋給料機構(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 螺旋給料機構(gòu)有限元模型的搭建與設(shè)置

根據(jù)PJD6-I 型噴漿機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)螺旋葉片的運行方式，將ANSYS 有限元仿真模型進行網(wǎng)格劃分，將其劃分為自由度為3、單元數(shù)目為205677、節(jié)點總數(shù)為300161，并根據(jù)其在實際運行情況為其X、Y以及Z三個自由度添加對應(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 螺旋給料機構(gòu)有限元仿真結(jié)果的分析

基于ANSYS 軟件能夠完成對給料機構(gòu)的應(yīng)力和變形進行仿真分析。

經(jīng)仿真分析可知，PJD6-I 型噴漿機在實際工作中其給料機構(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 型噴漿機給料機構(gòu)在實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)變兩方面分析其強度均滿足實際生產(chǎn)的需求。盡管，PJD6-I 型噴漿機螺旋給料機構(gòu)不會發(fā)生明顯的塑形變形，但其在實際生產(chǎn)中勢必會發(fā)生彈性變形[4]。為進一步保證螺旋給料機構(gòu)各個參數(shù)的相互配合度，還需對其進行一定的改善。

3 螺旋給料機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

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

根據(jù)給料機構(gòu)螺旋葉片的有限元仿真結(jié)果和實踐經(jīng)驗，對螺旋給料機構(gòu)中的螺旋葉片做如下改進設(shè)計：

1）將當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際工作中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進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際工作中的磨損量，進而提升螺旋葉片的使用壽命。

3）改進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

由于噴漿機螺旋葉片時刻保持高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，對螺旋葉片的強度和硬度要求較高。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造成殘余應(yīng)力大、變形較大的問題[5]。因此，需對螺旋葉片制造過程中下料、成型以及焊接等工藝進行優(yōu)化。

1）就下料環(huán)節(jié)而言，需嚴格按照圖紙要求進行下料，并對其關(guān)鍵參數(shù)如：外徑、內(nèi)徑以及切除角進行準確計算；

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整體，再將其與攪拌軸焊接為一體。在實際焊接過程中，并嚴格按照焊接工藝說明進行焊接，減少由于焊接而導(dǎo)致的變形。

3.3 螺旋葉片的熱處理強化措施

由于螺旋葉片在焊接時受熱不均勻，導(dǎo)致其發(fā)生塑形變形，進而在材料內(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，在螺旋給料機構(gòu)生產(chǎn)過程中除了在焊接葉片時設(shè)計合理的焊接參數(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，與其相配合焊接時應(yīng)力應(yīng)變最小的材料為45 號鋼，并在焊接成型后采用適當熱處理工藝和調(diào)質(zhì)工藝進行處理，已獲得綜合機械性能的機構(gòu)。

4 結(jié)語

噴漿機作為巷道支護的關(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面。為解決噴漿機在實際應(yīng)用中存在的不足，對噴漿機關(guān)鍵零部件螺旋給料機構(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行優(yōu)化設(shè)計，以提升其使用壽命，進而提升其性能，為巷道的支護效果提供支撐。