礦井刮板輸送機中部槽結構改進研究

姚云峰

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦選煤廠， 山西 古交 030203）

引言

礦井刮板輸送機中部槽結構作為直接接觸煤炭物料的構件，其受力情況較為復雜，不僅受到了來自煤炭物料的摩擦力，還有傳動鏈條的阻力以及自身刮板的相互磨損?，F有大多數的刮板輸送機中部槽結構為光滑平表面，目前結構優化僅停留在中部槽的兩側結構及其傳動結構方面[1-2]。因此，通過在中部槽朝輸送的光滑平面采用仿生形態設計，以凹槽形式布置在中部槽輸送平面，采用正交試驗理論設計出中部槽的最優參數組合，可通過新設置的凹槽結構提升中部槽中間表面的耐磨性能，并且能合理均勻的分散載荷應力，起到了緩釋應力的效果。

1 仿生耐磨優化理念

研究仿生的相關學者認為，各個生物體是在長時間的進化變化當中不斷地適應周圍的環境，生存環境的各種載荷作用不斷的對各個生物體進行影響刺激，生物體受到各種刺激作用或會在其身體表面形成各式各樣的非光滑形態，逐漸進化出適合自己生物條件的表面耐磨形態。這些形態具有耐磨、減阻等作用，主要的形態可分為凸包狀、凹坑狀、溝槽狀、鱗片狀等[3]。

其他產業的產品結構研究領域已采用仿生學原理設計，制造了許多機械結構，這些設計理念對刮板輸送機中部槽的結構優化有了重要的指導意義。因此中部槽光滑表面在不耐磨的情況下，可考慮采用仿生學的原理，增加其耐磨性能[4]。研究表明在仿生非光滑耐磨機理的作用下，可實現對煤礦物料的收集、均勻分布載荷應力、提高耐磨韌性等作用。

2 正交試驗設計原理

通過設計正交試驗表，將每一個影響因素具有代表性的組合進行試驗研究，即可全面的了解整個試驗數據的分布情況，得到最后的最優水平組合[5]。正交試驗設計方法首先應明確影響因素和一個因素具有代表性的數據，然后設計出正交試驗表，根據數據組合情況，研究每種方案的試驗結果。將采用凹槽的仿生設計理念，確定刮板輸送機中部凹槽結構的幾種影響參數，利用正交試驗方法優選出最優組合并應用于中部槽結構表面優化當中[6]。

3 結構模型的建立

3.1 三維模型的建立

依據刮板輸送機中部槽實際開采作業過程中的工況條件，主要應對中部槽、刮板、煤炭物料進行三維模型的建立，它們三者之間有相互的摩擦接觸，還應對摩擦接觸的相關參數進行定義。

中部槽選取其局部結構開展研究，由于刮板與中部槽的接觸行為是非線性關系，為提高仿真計算模型的計算效率，精簡物料輸送的模型結構，對于相關棱角、鈑金、擋板等零碎部件進行去除，將該部分的配重質量應用于仿真模型當中，如圖1 所示為物料輸送模型，其中1、2、3、4、5、6 為模擬的煤炭物料的簡化模塊，并將刮板裝置夾在中間，模擬在煤炭輸送過程中的刮板對煤炭物料刮刷作用。

3.2 仿真模型的建立

為準確的計算出仿真結果，對煤炭物料輸送模型的各個部件材料參數進行準確的定義，相關參數如下頁表1 所示。

圖1 物料輸送模型

表1 各個部件材料屬性

對建立模型進行網格劃分，依據實際工況條件設置約束及邊界條件同時定義摩擦參數，模擬開采出的煤炭物料或夾雜在煤炭中的巖石的一個裝載過程，對于煤炭物料和刮板，不僅要有法向的載荷力，還應施加垂直的載荷作用，如上頁圖1 所示，將2、3、4、6 定義為煤炭物料，將1、5 定義為夾雜在煤炭物料中的巖石，煤炭混合巖石更符合實際開采后物料組成類型，如圖2 所示為對模擬過程施加的約束和載荷。3.3 仿真原始結果分析

圖2 施加的約束和載荷

通過有限元仿真計算，在煤炭物料夾雜巖石的情況下，應力最大只出現在了底板中間，并且底板側板之間出現了應力較小的真空地帶，中部形成了應力集中的現象，等效應力最大值為699 642 Pa，超出了整個中部槽的負載能力的16%，并且在此工程條件下，中部的變形量最高達到了5.69 μm，超出煤炭物料負載條件的28%，如圖3 所示。因此，原始結構設計不夠完善，需進一步進行優化。

4 仿生結構優化結果分析

4.1 仿生方案選擇

通過查閱相關資料，結合實際工況條件，提出在中部槽底板上開設凹坑的形式形成仿生結構，凹坑形式可以減小物料摩擦作用面積、凹坑中存在的空氣可以減小大氣負壓，可以減小物料在底板上的停留和黏緊，如圖4 所示。

圖4 左上角為設計的凹孔布置于底板當中，在底板上呈一定布置排列，形成密密麻麻的凹坑形孔。

4.2 正交設計方案

確定了凹坑仿生的形式，需對凹坑的布置方案進行確定，采用正交試驗的方法，確定了本次試驗因素為凹坑直徑A、凹坑深度B、凹坑橫向間距C、凹坑縱向間距D。應用科學的正交試驗方案選擇方法，具體試驗方案如表2 所示。

圖3 中部槽等效應力、變形云圖

圖4 仿生中部槽結構

表2 正交試驗方案

最終確定了9 種試驗方案，一次按照9 種方案進行中部槽底板凹坑的布置。

4.3 結果對比分析

按照與原始結構同樣的有限元仿真方法，優選出第6 號正交試驗方案A2B3C1D1 結果數據最優，可以有效地減少底板應力集中現象的發生，并且等效變形云圖的范圍更加均勻，如下頁圖5 所示。

圖5 優化后中部槽等效應力、變形云圖

提取優化后中部槽底板的應力、變形數據，相比于原有結構，仿生優化后的底板結構在等效應力方面降低了13.9%，最大應力數值下降明顯并合理均勻的分布了應力范圍。此外，中部槽的變形由原來的數值下降了18.8%，采用仿生結構優化的中部槽底板結構在應力分布及變形情況都得到了明顯的提升。

5 結語

1）刮板輸送機中部槽選取的凹坑作為底板優化設計可以提高整個煤礦開采傳送的效率，并減小煤炭物料對底板的磨損破壞程度。

2）將仿生理念應用于礦井機械結構設計當中為今后采煤機械的結構設計發展提供了思路。