關(guān)于刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究

劉劍峰

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司選煤廠， 山西 呂梁 033200）

引言

在采煤工作面中刮板輸送機(jī)是用來運輸煤礦的重要設(shè)備，可以實現(xiàn)井下煤礦的連續(xù)運輸。主要由四大部分構(gòu)成，分別為機(jī)尾部分、機(jī)頭部分、傳動部分和中間部分[1-2]。刮板輸送機(jī)中的中部槽是比較關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，刮板輸送機(jī)設(shè)備包含有很多個中部槽，其數(shù)量決定了刮板輸送機(jī)整體長度。作為刮板輸送機(jī)的重要運輸單元，一旦中部槽在使用過程中出現(xiàn)損傷斷裂，就會導(dǎo)致運輸機(jī)械設(shè)備停機(jī)，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率[3-4]。中部槽總體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，生產(chǎn)制造過程牽涉到很多制造工藝，包括鑄造、焊接等。中部槽作為消耗件，如果可以降低生產(chǎn)制造成本將會為企業(yè)節(jié)約大量成本[5-6]。本文對SGB-764/264 型號刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行靜力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。本文的研究對于提升中部槽結(jié)構(gòu)件的服役壽命，降低生產(chǎn)制造成本具有一定的實踐意義。

1 中部槽結(jié)構(gòu)模型的建立

1.1 三維結(jié)構(gòu)模型的建立

對于刮板輸送機(jī)而言，中部槽是其中非常重要的工作部件。在實際應(yīng)用中兩個中部槽之間的連接形式主要有兩種，分別為圓環(huán)鏈?zhǔn)胶图忓N式，本研究結(jié)合具體情況選擇圓環(huán)鏈?zhǔn)竭B接方式進(jìn)行建模。刮板輸送機(jī)中部槽主要由四部分構(gòu)成，分別為底板、中板、鏟板槽幫和擋板槽幫。其中擋板槽幫上板中焊接墊板，將軌座和銷軌安裝在墊板上。在齒輪的作用下，采煤機(jī)可以在銷軌上發(fā)生移動。另外，擋板槽幫中間部位還會伸出一個結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為推移耳，液壓機(jī)與該結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接驅(qū)動中部槽發(fā)生移動。利用PRO/E 軟件建立中部槽的三維結(jié)構(gòu)，中部槽實際結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，但是在建立三維模型時，不需要將所有的結(jié)構(gòu)特征全部建模，這樣反而會導(dǎo)致模型計算困難，無法得到想要的結(jié)果。因此需要對中部槽中一些不必要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，保留主要結(jié)構(gòu)，比如小螺孔、凸臺、倒角等都無需建模。除簡化結(jié)構(gòu)外，其他結(jié)構(gòu)全部按照中部槽的真實規(guī)格尺寸建模。完成建模工作后，將其導(dǎo)出為stp 格式進(jìn)行保存。

1.2 有限元模型的建立

將建立好的三維模型導(dǎo)入到MSC.Marc 非線性有限元軟件中建立有限元模型，緊接著就是劃分有限元網(wǎng)格。在靜力學(xué)分析中，有限元網(wǎng)格尺寸是非常重要的參數(shù)，對整個計算過程和結(jié)果都有決定性的影響。網(wǎng)格數(shù)量越多，則計算過程越慢、計算結(jié)果越精確，相反的，如果網(wǎng)格數(shù)量越少，則計算過程越快但計算結(jié)果較粗糙。在劃分網(wǎng)格時，首先需要確定劃分何種形式的單元網(wǎng)格，有限元軟件中有多種單元類型可供選擇，不同的網(wǎng)絡(luò)類型適用于不同場景，本文最終選擇八節(jié)點六面體網(wǎng)格對中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖1 所示為刮板輸送機(jī)中部槽網(wǎng)格劃分情況，共計劃分了19 086 個單元，可以滿足計算結(jié)果的要求并縮短整個模型的計算時間。

圖1 刮板輸送機(jī)中部槽網(wǎng)格劃分情況

中部槽的生產(chǎn)制作材料通常為鑄鋼ZG30MnSi，這種材料的彈性模量和泊松比分別為202 GPa 和0.3，密度為7 800 kg/m3，將以上重要物理參數(shù)輸入到有限模型中進(jìn)行計算。正確的材料屬性是得到精確結(jié)果的前提和條件，本文根據(jù)真實的材料屬性來模擬分析中部槽的受力情況，能夠得到期望的結(jié)果。另外，假設(shè)材料為線彈性材料，且具有各項同性的特征。刮板輸送機(jī)主要在煤礦井下進(jìn)行煤礦運輸，礦井工作環(huán)境較復(fù)雜，使得刮板輸送機(jī)的受力也比較復(fù)雜。本文按照刮板輸送機(jī)在正常工作時的受力情況進(jìn)行邊界條件設(shè)置，具體而言：支架的推溜力和拉架力分別為400 kN 和500 kN，中槽板材料的許用應(yīng)力值為380 MPa。完成上述所有設(shè)置后，可以在有限元軟件中對所建立的模型進(jìn)行計算分析，并得到相對應(yīng)的結(jié)果。

2 中部槽結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果

圖2 所示為刮板輸送機(jī)中部槽靜力學(xué)分析結(jié)果。從圖2 中可以看出，在擋板槽幫的凸端頭部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，該部位的應(yīng)力值最大，最大應(yīng)力值為301 MPa。雖然最大應(yīng)力值與材料許用應(yīng)力值之間存在一定差距，但是中部槽的整體受力非常不均勻。擋板槽幫的推移耳部位同樣受力較大，整個擋板槽幫上板基本沒有出現(xiàn)應(yīng)力，只是在與推移耳相連接的部位出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。中板的整體受力也相對較小。基于模擬分析結(jié)果可知，中部槽在正常工作時最大應(yīng)力值在材料許用應(yīng)力值范圍內(nèi)，但是整體的受力情況非常不均勻，個別位置出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但絕大部分部位卻沒有出現(xiàn)任何變形，應(yīng)力值幾乎為零。因此，中部槽結(jié)構(gòu)仍然存在較大的優(yōu)化空間。

圖2 刮板輸送機(jī)中部槽靜力學(xué)分析結(jié)果

3 中部槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化對象的選擇

經(jīng)過多年的發(fā)展，刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本定型。對于設(shè)備中的一些重要零部件，比如本文所述中部槽的鑄造工藝已經(jīng)形成了系統(tǒng)完備的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)施。如果徹底顛覆中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，不僅難度較大，對于企業(yè)而言也不現(xiàn)實。如果設(shè)計一個全新的中部槽結(jié)構(gòu)，那么企業(yè)就必須對該結(jié)構(gòu)重新制定生產(chǎn)工藝，并配備對應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備。這些都必須投入很大成本，經(jīng)濟(jì)效益相對較低。基于多方面考慮，本文擬對中部槽進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。為了保障中部槽的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對于受力較大的部位進(jìn)行保留不做任何更改。而對于那些受力相對較小的部位，可以適當(dāng)減小其規(guī)格尺寸，因為這些部位的受力相對較小，降低其規(guī)格尺寸不會影響整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過這樣的措施，確保在滿足實際使用要求的前提下，盡可能降低生產(chǎn)制作成本。結(jié)合實踐經(jīng)驗，本文主要對中部槽的兩處位置進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，分別為擋板上平面寬度和底板厚度，這兩個參數(shù)分別用a 和b 表示。如圖3 所示為擋板上平面寬度和底板厚度在中部槽中的位置。分別將擋板上平面寬度a 由100 mm 降低至80 mm，底板厚度b 由20 mm降低至15 mm。

圖3 中部槽優(yōu)化對象部位示意圖

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

將優(yōu)化后的刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新建模并導(dǎo)入有限軟件中進(jìn)行計算分析，為了保障優(yōu)化前后模擬計算結(jié)果的可對比性，劃分的網(wǎng)格大小、設(shè)置的材料屬性以及邊界條件等全部與優(yōu)化之前的模型相同。如圖4 所示為優(yōu)化改進(jìn)后的中部槽靜力學(xué)分析結(jié)果。從圖4 中可以看出，與優(yōu)化前的結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化改進(jìn)后，中部槽的變形更加均勻，很多部位都出現(xiàn)了不同程度的變形，出現(xiàn)了應(yīng)力，但最大應(yīng)力值只有256 MPa，與優(yōu)化前的301 MPa 相比有一定程度的降低，降低幅度為14.95%。由此可見，將中部槽中一些受力不大結(jié)構(gòu)件的規(guī)格尺寸降低后，將原來出現(xiàn)應(yīng)力集中部位的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了其他部位，不但沒有削弱中部槽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，反而使整個結(jié)構(gòu)的變形更加均勻。

圖4 刮板輸送機(jī)中部槽優(yōu)化后的靜力學(xué)分析結(jié)果

另一方面，中部槽在優(yōu)化前，通過三維軟件可以計算得到其質(zhì)量為1 113 kg，優(yōu)化后由于降低了部分結(jié)構(gòu)件的規(guī)格尺寸，其質(zhì)量降低到了1 031 kg，降低幅度為7.37%。本文在對中部槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時并沒有改變其整體結(jié)構(gòu)特征，因此中部槽生產(chǎn)加工企業(yè)不需要對生產(chǎn)制造工藝進(jìn)行較大的調(diào)整，只需要稍微調(diào)整就能夠繼續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)設(shè)備也可以不用更換。不管是從生產(chǎn)設(shè)備還是生產(chǎn)制造工藝角度，本方案的技術(shù)改造成本相對非常低。將本文的研究結(jié)果應(yīng)用到實踐中，取得了較好的效果。實踐過程中，優(yōu)化后的中部槽結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度導(dǎo)致的各種故障問題，使用壽命較優(yōu)化前提高了至少30%以上。另一方面，中部槽結(jié)構(gòu)件整體質(zhì)量的降低可以為企業(yè)節(jié)省大量的生產(chǎn)制造成本，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

將擋板上平面寬度和底板厚度由原始的100 mm 和20 mm，分別降低至80 mm 和15 mm。改進(jìn)后的中部槽受力更加均勻且最大應(yīng)力值出現(xiàn)了一定程度降低。由于部分結(jié)構(gòu)件規(guī)格尺寸降低，所以中部槽整體質(zhì)量也有所降低。本文的優(yōu)化改進(jìn)方案在實踐中取得了較好的應(yīng)用效果，為企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益，值得進(jìn)一步推廣使用。