SGZ800 型刮板輸送機中部槽使用壽命及結構強度研究

張樹祥

（山西華融龍宮煤業有限責任公司， 山西 原平 034114）

引言

在煤礦開采過程中，刮板輸送機主要起到了煤礦煤炭的轉運和為采煤設備充當行走軌道的作用。刮板輸送機一旦發生故障現象，將會使整條運輸線出現停產狀態，嚴重影響著整個工作面的煤炭開采量。其中，中部槽作為刮板輸送機中的關鍵部件，保證其不發生故障現象至關重要。而將有限元分析方法成功應用到中部槽的結構設計中，則是當前最為成熟的方法之一[2]。為此，針對SGZ800 型刮板輸送機的設計需求，對中部槽進行了三維及分析模型建立，開展了中部槽在不同工況下的結構強度變化規律研究。

1 刮板輸送機工作原理分析

刮板輸送機是煤礦中的重要設備，主要由傳動裝置、機頭、機尾、鏈輪、中部槽、過渡槽等部件組成，如圖1 所示。根據中部槽的結構寬度，可將其分為630、764、800、1000、1200、1500 等型號[3]，其工作原理主要是通過傳動裝置帶動鏈條和鏈輪旋轉運動，實現將進入到溜槽內煤炭從機尾運輸至機頭，最終轉運至轉載機上。其中，中部槽的結構形式較多，包括軋制槽幫鋼焊接式、鑄造槽幫焊接、整體鑄造式、開底式和封底板式等結構類型，不同的結構類型對應不同的使用工況。如軋制槽幫鋼焊接式中部槽可應用于30B、40T 等型號的刮板輸送機，而開底式和封底板式中部槽整體結構分為了上下兩個槽體，具有結構簡單、維修方便、轉動阻力小等特點，其槽寬一般在1 m 以上，具有較好的技術優劣性及經濟性。因此，在刮板輸送機結構設計中，應合理、科學地選擇中部槽結構類型，并根據不同工況，進行不同結構尺寸、不同材料屬性中部槽設計，以此來保證刮板輸送機的高效率生產及較長使用壽命。

圖1 刮板輸送機實物圖

2 中部槽分析模型建立

2.1 三維模型建立

由于本文選用的是SGZ800/3×1000 型刮板輸送機設備，輸送機在與其他設備配套使用中時，對中部槽的結構尺寸具有較多的制約作用。因此，在綜合考慮技術性及經濟性指標下，選用了鑄造式中部槽結構，同時，將其槽長設置為1 503 mm，槽寬設置為800 mm；同時，為保證中部槽在使用過程中具有較好的耐磨性及運行穩定性，在對其設計中需進行結構的耐磨性、移動精度、抗壓強度等方面進行綜合考慮[4]。整個中部槽結構包括中板、底板、擋板槽幫、鏟板槽幫、電纜槽、銷軌座等部件焊接而成。因此，采用了SolidWorks 軟件，對中部槽進行了三維模型建立。為避免非必要的關鍵特征及零件對中部槽的分析結果造成影響，在軟件中，將各部件的連接件及部件上的圓角、倒角及較小通孔進行了簡化處理，僅保留了中部槽關鍵零件。由此，完成了中部槽的三維模型設計及建立，如圖2 所示。

2.2 分析模型建立

2.2.1 材料屬性設置

圖2 中部槽三維模型

采用ABAQUS 軟件，對建立的中部槽結構進行仿真分析模型建立。首先，對中部槽的材料屬性進行設置。目前，市場上的中部槽材料包括ZG30MnSi 和6BM 材料，經過查閱資料可知，6BM 材料具有更高的綜合性能，能更好地延長中部槽的使用壽命[5]。故在此次分析中，將中部槽中底板、擋板槽幫、鏟板槽幫等部件均設置為6BM 材料，其材料的主要性能參數如表1 所示。

表1 6BM 材料主要性能參數

2.2.2 網格劃分及約束條件設置

結合中部槽的結構特點，在此軟件中，將中部槽進行了六面體網格劃分，網格大小設置為10 mm，單元類型設置為Solid 實體單元[6]，同時，在網格劃分過程中，對不同位置進行了不同顏色的區分設置，其網格劃分圖如圖3 所示。同時，根據中部槽的使用工況特點，對其凸端側進行了固定約束，擋板槽幫施加裁剪切力，同時，對啞鈴桿與鏟板槽幫窩間進行無摩擦接觸設置，中部槽的右側也設置為固定約束。

圖3 中部槽網格劃分圖

3 不同工況下的中部槽結構強度分析

由于刮板輸送機中部槽的工況環境相對復雜，包括直行割煤工況、斜切進刀工況、推溜工況、拉架工況等，不同工況條件下，中部槽具有不同受力情況。因此，下面就中部槽在直行割煤工況、斜切進刀工況兩種工況下的結構變形情況進行了分析研究。

3.1 中部槽在直行割煤工況下的結構強度分析

結合前文建立的中部槽仿真模型，得到了其在直行割煤工況下的結構強度變化圖，如圖4 所示。由圖可知，中部槽整體結構出現了應力分布不均勻現象，在局部區域出現了不同程度的應力集中現象，在中部槽的鏟板槽幫處的應力達到了最大值，為399.9 MPa，但仍小于中部槽材料的屈服強度。同時，在整個中部槽后端的中板和擋板槽幫上也出現了一定程度的應力集中現象。此結果雖能說明所設計的中部槽結構能滿足其在此工況下的現場使用需求，但若中部槽在此工況下超長時間、超負荷的運行，加上外部的不可預測因素影響，極可能導致中部槽發生局部的結構變形或局部開裂等疲勞失效現象，嚴重影響著刮板輸送機的作業效率及工作安全。因此，在使用中因重點關注此些部位的結構變化情況。

圖4 直行割煤工況下中部槽結構強度（MPa）變化圖

3.2 中部槽在斜切進刀工況下的結構強度分析

圖5 為中部槽在斜切進刀工況下的結構強度變化圖。由圖可知，中部槽在此工況條件下整體呈現應力分布不均勻現象，其中，中板及鏟板槽幫等部件上的應力值相對較大，局部區域出現了應力集中現象，最大集中應力出現在鏟板槽幫上，為356.1 MPa，與直行割煤工況相比，所產生的局部應力更小，應力也同比分布得更加均勻。因此，中部槽在此工況下具有更高的結構強度，同樣外部條件下，中部槽在斜切進刀工況下的使用壽命更長。由此，掌握了中部槽在此工況下的結構變形規律。

圖5 斜切進刀工況下中部槽結構強度（MPa）變化圖

4 中部槽工業試驗使用情況分析

在對中部槽的結構設計及結構性能分析后，得出其結構能滿足刮板輸送機在煤礦開采中的使用需求。為進一步驗證其結構的綜合性能，將此結構在某煤礦綜采工作面中進行了為期18 個月的實際運行使用測試，完成了近610 萬t 的煤炭運輸作業。之后，企業的機電科等部門工作人員對運行后的SGZ800 型刮板輸送機中部槽、刮板、鏈條等關鍵部進行了實地測量和檢查。其中，對中部槽主要進行了磨損情況、變形情況、開裂情況、斷裂情況等方面進行了重點檢查及測量。

經相關人員測量后得出：中部槽的中板磨損了24 mm，底板減薄了15 mm，上翼板厚度減少了8 mm，按照實際的運輸610 萬t 煤計算，中板每萬噸煤磨損量為0.04 mm，底板每萬噸煤磨損量為0.025 mm。同時，中部槽的槽幫凹凸處及其他部位也沒明顯的磨損現象，使用后的中部槽實物圖如下頁圖6所示。此磨損比例均在中部槽的設計范圍內，滿足其設計要求。由此，可判定所設計的中部槽具有較好的結構性能和可靠性，能滿足刮板輸送機的較長作業壽命，達到了設計要求。

圖6 使用后的中部槽實物圖