礦用刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)的磨損特征分析研究

李冬俠

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司煤機裝備研究院， 山西 太原 045000）

引言

近年來我國綜采工作面正朝著大采高方向發(fā)展，這對包括刮板輸送機在內(nèi)的采煤設(shè)備性能提出了更高的要求[1-2]。刮板輸送機在工作過程中，中部槽是承載煤礦物料的主要結(jié)構(gòu)件，其在運行時容易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象[3-4]。一旦磨損達(dá)到一定程度，會對刮板輸送機運行可靠性造成不利影響，進(jìn)而影響采煤生產(chǎn)的連續(xù)性[5]。因此有必要對刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)的磨損現(xiàn)象進(jìn)行深入分析和研究，掌握其磨損特征，分析導(dǎo)致中部槽出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的原因，在此基礎(chǔ)上提出針對性的磨損防治措施。

1 刮板輸送機運行模型的建立

1.1 三維幾何模型的建立

基于SGZ1000/2100型號刮板輸送機建立三維幾何模型，用到的建模軟件為SolidWorks。建立幾何模型時嚴(yán)格按照該型號刮板輸送機的幾何尺寸執(zhí)行。本研究中主要研究對象為刮板輸送機的中部槽，建模時以中部槽為核心，對其他非核心結(jié)構(gòu)件進(jìn)行簡化處理。將建立的三維幾何模型導(dǎo)出為IGES格式，以便導(dǎo)入到EDEM軟件中進(jìn)行后續(xù)分析。

1.2 有限元模型的建立

將IGES格式的三維幾何模型導(dǎo)入到EDEM軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用的網(wǎng)格單元形式為三角形殼體單元，將網(wǎng)格邊長設(shè)置為10 mm，最終劃分得到的單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為276 344個和556 230個。利用刮板輸送機對煤礦物料進(jìn)行運送過程中，煤礦物料之間肯定會產(chǎn)生相互碰撞與摩擦，如何處理不同煤礦物料之間的碰撞和摩擦問題是本模型的關(guān)鍵所在。實踐經(jīng)驗表明，Hertz-Mindin模型具有較好的應(yīng)用效果。因此選用該模型作為煤礦物料之間的碰撞與摩擦模型。模型中還需要輸入準(zhǔn)確的材料屬性才能夠得到理想的結(jié)果。刮板輸送機使用鋼的剪切模量和泊松比分別為85 GPa和0.22，煤對應(yīng)的數(shù)值分別為13.5 GPa和0.3，鋼和煤的密度分別為7 800 kg/m3和1 500 kg/m3。

1.3 有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場情況的對比分析

在煤礦井下工作現(xiàn)場，采煤機獲得的煤礦物料會直接散落在刮板輸送機中部槽上面，刮板輸送機對物料進(jìn)行輸送。圖1-1所示為刮板輸送機的現(xiàn)場運行情況，從圖1中可以看出，當(dāng)煤礦物料穩(wěn)定后，刮板附近集中的物料相對較多，其他位置則相對較少。圖1-2所示為有限元模擬的結(jié)果，同樣發(fā)現(xiàn)煤礦物料集中在刮板附近，其他區(qū)域的煤礦物料相對較小。可以看出有限元模擬結(jié)果與現(xiàn)場的情況基本相同，說明建立的有限元模型是正確的。

圖1 煤礦物料沿刮板輸送方向的分布情況對比

2 中部槽結(jié)構(gòu)的磨損特征分析

對于刮板輸送機而言，中部槽結(jié)構(gòu)是其中最為核心的結(jié)構(gòu)件。在正常工作過程中煤礦物料與鏈條、刮板發(fā)生接觸產(chǎn)生摩擦磨損。特別是煤礦物料剛裝入到中部槽時，煤礦物料會產(chǎn)生加速度，加速度的力全部由刮板和鏈條摩擦力提供。由此可以看出，煤礦物料從速度為零加速到穩(wěn)定狀態(tài)，這個過程會對刮板和鏈條造成一定程度磨損，會不同程度作用于中部槽基于建立的有限元模型模擬中部槽的磨損現(xiàn)象，主要通過中部槽平均線磨損深度來表征結(jié)構(gòu)的磨損情況。

圖2 刮板輸送機中部槽平均線磨損深度隨時間的變化曲線

下頁圖2所示為中部槽結(jié)構(gòu)平均線磨損深度隨時間的演變曲線。需要說明的是，模型是從煤礦物料落入中部槽時開始進(jìn)行計算。由圖中的變化曲線可知，煤礦物料開始落入中部槽后，平均線磨損深度開始快速加大。隨著時間推移，平均線磨損深度的變化速度逐漸減慢。當(dāng)煤礦物料的速度與刮板輸送機的速度保持相同時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，兩者之間不存在相對運動，因此也不存在磨損現(xiàn)象。此時中部槽平均線磨損深度也保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。

3 中部槽結(jié)構(gòu)的磨損特征影響因素研究

3.1 刮板輸送機運行速度對中部槽磨損的影響

刮板輸送機在實踐應(yīng)用過程中，其運行速度會對輸送能力產(chǎn)生影響。運行速度不同，中部槽磨損情況會存在差異。為分析刮板輸送機運行速度對中部槽磨損的影響規(guī)律，基于有限元模型模擬分析了速度分別為0.8 m/s、1.0 m/s和1.2 m/s時中部槽的磨損規(guī)律。如圖3所示為不同運行速度時中部槽的磨損特征曲線。

圖3 刮板輸送機不同運行速度時中部槽磨損特征曲線

不同運行速度下中部槽的磨損特征曲線均表現(xiàn)出了類似的演變規(guī)律。剛開始階段磨損現(xiàn)象比較嚴(yán)重，而后磨損現(xiàn)象逐漸得到緩解，最后基本保持穩(wěn)定。在剛開始階段出現(xiàn)快速磨損的原因在于，大量煤礦物料落入刮板輸送機中部槽中，不僅對中部槽造成較大沖擊，同時需要很大的摩擦力對煤礦物料進(jìn)行加速。對比不同運行速度下中部槽的磨損特征曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著運行速度的增加，中部槽磨損速度變得越來越快，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的磨損程度會很嚴(yán)重。運行速度增加意味著單位時間落入中部槽的煤礦物料質(zhì)量增多，速度增大后煤礦物料難以堆積，使得煤礦物料與中部槽間的接觸面積增大。這些因素都會使得中部槽的磨損現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。

3.2 煤礦物料運輸質(zhì)量對中部槽磨損的影響

為了研究煤礦物料運輸質(zhì)量對中部槽磨損的影響規(guī)律，在有限元模型中分別將煤礦物料的質(zhì)量設(shè)置成為1 500 kg、1 800 kg和2 100 kg進(jìn)行仿真模擬計算。如圖4所示為不同煤礦物料質(zhì)量時的中部槽磨損特征曲線。

刮板輸送機輸送的煤礦物料質(zhì)量不同時，中部槽磨損規(guī)律基本類似。在剛開始階段，磨損現(xiàn)象顯著，平均線磨損深度隨時間增加出現(xiàn)快速增長趨勢，最后都保持穩(wěn)定。3 s后，輸送質(zhì)量為1 500 kg時中部槽磨損現(xiàn)象得到緩解，8 s時基本保持穩(wěn)定。對比不同運輸質(zhì)量時的中部槽磨損特征曲線可以發(fā)現(xiàn)，運輸質(zhì)量越多，中部槽磨損現(xiàn)象越嚴(yán)重，不管是磨損速度還是磨損程度都顯著提升。另外還可以發(fā)現(xiàn)，運送的煤礦物料質(zhì)量越高，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間更長。

圖4 不同煤礦物料質(zhì)量時的中部槽磨損特征曲線

3.3 材料剪切模量對中部槽磨損的影響

基于有限元模型模擬分析了不同材料剪切模量對中部槽結(jié)構(gòu)磨損的影響規(guī)律，剪切模量的取值分別為75 GPa、85 GPa、95 GPa。如圖5所示為不同材料剪切模量時中部槽的磨損特征曲線。

圖5 不同切變模量時中部槽的磨損特征曲線

不同剪切模量下中部槽磨損情況變化趨勢基本相同。隨著材料剪切模量的增加，中部槽的磨損現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。出現(xiàn)這種情況的原因在于，高的材料剪切模量意味著其抵抗切應(yīng)變的能力相對較強，即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性形變越小，在煤礦物料、鏈條、刮板等與中部槽發(fā)生接觸時，就會產(chǎn)生摩擦磨損，所以使用高的剪切模量中部槽材料反而會加速磨損。

4 中部槽結(jié)構(gòu)磨損防治措施分析

基于模擬仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著刮板輸送機運行速度的增加以及運輸質(zhì)量的加大，中部槽結(jié)構(gòu)的磨損現(xiàn)象變得越來越嚴(yán)重。理論上應(yīng)該對刮板輸送機的運行速度以及裝載量進(jìn)行控制，以降低中部槽的磨損問題。但是在實踐過程中降低刮板輸送機的運行速度以及裝載量意味著采煤效率的降低，所以降低刮板輸送機的運行速度和裝載量不太現(xiàn)實。這種情況下，應(yīng)該使用耐磨性能更好的材料來提升中部槽耐磨性。另外，中部槽材料的剪切模量越大，其磨損現(xiàn)象越嚴(yán)重，所以在選用中部槽材料時，應(yīng)該考慮其切變模量的影響，優(yōu)先選用剪切模量相對較低的材料。通過材料的合理選用，能夠有效規(guī)避中部槽結(jié)構(gòu)在運行過程中出現(xiàn)過早磨損的問題，提升其服役壽命。

5 結(jié)論

刮板輸送機是采煤過程中的重要運輸裝備，其運行可靠性會對采煤過程產(chǎn)生決定性影響。中部槽結(jié)構(gòu)是刮板輸送機中的重要結(jié)構(gòu)件，中部槽的工作性質(zhì)決定了其容易出現(xiàn)磨損問題?；谟邢拊椒?，對中部槽結(jié)構(gòu)的磨損現(xiàn)象進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著時間的延長其磨損現(xiàn)象變得越來越嚴(yán)重。另外，當(dāng)刮板輸送機的運行速度、裝載的煤礦物料質(zhì)量、中部槽材料的剪切模量增加時，中部槽磨損現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。結(jié)合實踐情況，認(rèn)為中部槽結(jié)構(gòu)應(yīng)該選用耐磨性能更好、剪切模量相對較低的材料進(jìn)行加工制作，以提升其使用壽命。