噴漿機螺旋給料機構的優化設計

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，煤礦安全生產備受煤礦企業、管理者和作業人員的關注。影響煤礦安全生產的因素包括有煤礦綜采設備的安全性、巷道的質量及其支護效果。其中，煤礦綜采設備的安全性受制于其可靠性，屬于設備級到系統級的問題；巷道的支護效果與其所選的支護方式及其參數密切相關；巷道的質量與其成型速度和噴漿機的性能相關。噴漿機的性能直接決定噴漿量的大小和噴漿質量，螺旋給料機構作為噴漿機的關鍵零部件，其設計參數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有限元分析的基礎上，從機構的設計和熱處理著手對噴漿機的結構進行優化設計。

1 噴漿機的概述

噴漿機是目前應用于礦上、隧道、建筑工程等領域噴射混凝土的設備，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。噴漿機發展至今，對于國外而言經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展；對于國內而言，經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展。

在實際生產過程中，國產噴漿主要存在如下問題：

1）國產噴漿機能耗較大。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摩擦大，導致設備被嚴重磨損。

3）當前噴漿機的結構及重量均較大，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、操作簡便等優勢被廣泛應用，主要應用于礦井巷道支護、隧道建設以及地鐵等施工項目中。該噴漿機以電機驅動、其噴射能力為6 m3/h、采用手動上料，其三維結構示意圖如圖1 所示。

圖1 PJD6-I 型噴漿機三維結構示意圖

2 螺旋給料機構的有限元分析

PJD6-I 型噴漿機螺旋給料機構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，該螺旋給料結構的螺旋攪拌輸送葉片設計為變螺距、變直徑的螺旋葉片。該螺旋給料機構共包括有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葉片[3]。

2.1 螺旋給料機構有限元模型的搭建與設置

根據PJD6-I 型噴漿機螺旋葉片的具體參數并基于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入ANSYS有限元分析軟件中，并根據其材料類型在ANSYS 軟件中完成屬性設置，設置結果如下頁表1 所示。

根據螺旋葉片的運行方式，將ANSYS 有限元仿真模型進行網格劃分，將其劃分為自由度為3、單元數目為205677、節點總數為300161，并根據其在實際運行情況為其X、Y以及Z三個自由度添加對應的約束。

圖2 螺旋葉片三維結構示意圖

表1 螺旋葉片材料屬性設置

2.2 螺旋給料機構有限元仿真結果的分析

基于ANSYS 軟件能夠完成對給料機構的應力和變形進行仿真分析。

經仿真分析可知，PJD6-I 型噴漿機在實際工作中其給料機構的最大應力發生在螺旋葉片與攪拌軸焊接的位置處，且其最大應力值為186.97 MPa，滿足其焊接位置處的需用應力。PJD6-I 型噴漿機給料機構在實際工作中的最大變形發生于等螺距、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，從應力和應變兩方面分析其強度均滿足實際生產的需求。盡管，PJD6-I 型噴漿機螺旋給料機構不會發生明顯的塑形變形，但其在實際生產中勢必會發生彈性變形[4]。為進一步保證螺旋給料機構各個參數的相互配合度，還需對其進行一定的改善。

3 螺旋給料機構的優化設計

3.1 螺旋給料機構結構的優化設計

根據給料機構螺旋葉片的有限元仿真結果和實踐經驗，對螺旋給料機構中的螺旋葉片做如下改進設計：

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力集中現象，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境相對惡劣的環境中不斷摩擦、磨損。因此，將螺旋葉片的材質替代為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狀態。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化。

1）就下料環節而言，需嚴格按照圖紙要求進行下料，并對其關鍵參數如：外徑、內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）就焊接環節而言，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，導致其發生塑形變形，進而在材料內部存在殘余應力。殘余應力是導致其壽命降低的關鍵原因。因此，在螺旋給料機構生產過程中除了在焊接葉片時設計合理的焊接參數和合理安排焊縫外，還需采用合理的熱處理工藝已達到減小或消除內部殘余應力的目的。

為此，由于螺旋葉片材質為Mn13，與其相配合焊接時應力應變最小的材料為45 號鋼，并在焊接成型后采用適當熱處理工藝和調質工藝進行處理，已獲得綜合機械性能的機構。

4 結語

噴漿機作為巷道支護的關鍵設備，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用中存在的不足，對噴漿機關鍵零部件螺旋給料機構中的螺旋葉片的材質、結構參數、焊接工藝、成型工藝以及熱處理措施進行優化設計，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。