刮板輸送機(jī)中部槽磨損特性數(shù)值模擬研究

白桂平

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030000）

引言

礦井輸送機(jī)作為礦山運輸設(shè)備，其工作效率及工作可靠性在一定程度上決定著煤礦的開采效率，所以輸送機(jī)的工作性能優(yōu)化成為了眾多學(xué)者研究的內(nèi)容[1-2]。此前聶仕義[3]對刮板外載荷對電機(jī)的影響進(jìn)行研究，利用Mat Lab/Simulink軟件建立了電機(jī)模型，給出了電機(jī)電流隨負(fù)載值以及電壓頻率變化的規(guī)律，并通過現(xiàn)場應(yīng)用，給出了刮板輸送機(jī)在動態(tài)載荷下的調(diào)節(jié)方案。王紀(jì)東[4]對帶式輸送機(jī)多點驅(qū)動的控制與監(jiān)測通過分析驅(qū)動滾筒的驅(qū)動力給出了電機(jī)的額定功率、數(shù)量及電機(jī)安裝位置，并通過對不同驅(qū)動方式下驅(qū)動效率的研究對比，設(shè)計了多點驅(qū)動監(jiān)測系統(tǒng)，在一定程度上實現(xiàn)了帶式輸送機(jī)多點驅(qū)動，從而提升了帶式輸送機(jī)在工作面效率。

1 磨損理論分析

一般來說刮板輸送機(jī)的中部槽磨損可以分為宏觀磨損、微觀摩擦及表面接觸，對刮板輸送機(jī)中部槽磨損進(jìn)行研究是為了獲得不同材料下中部槽不同工況磨損機(jī)理，進(jìn)而為中部槽減磨耐磨提供一定參考。

當(dāng)與不平整面進(jìn)行接觸時，磨損均不可避免。為了研究磨損規(guī)律，對磨損曲線進(jìn)行研究，常見的磨損曲線如圖1所示。

可以看出磨損曲線一般分為三個階段，分別為：跑合階段（Ⅰ）、穩(wěn)定磨損階段（Ⅱ）及劇烈磨損階段（Ⅲ）。根據(jù)工況的不同刮板輸送機(jī)中部槽其磨損曲線存在多樣性，可以為圖1中的任意一種。

圖1 磨損曲線

磨損是指接觸表面發(fā)生相對的運動而產(chǎn)生相對的應(yīng)力摩擦，是接觸表面逐漸出現(xiàn)脫落磨損及塑性變形的現(xiàn)象。由于礦山工況環(huán)境較差，使得機(jī)械部件磨損在任何部位均有發(fā)生。刮板輸送機(jī)由機(jī)頭驅(qū)動輪帶動鏈條，刮板在中部槽運行，在工作中承受煤料、液壓支架等的拉壓作用、沖擊載荷及循環(huán)應(yīng)力等，導(dǎo)致中部槽受磨損形式不同，多種磨損在一定工況下轉(zhuǎn)化。常見的中部槽磨損機(jī)制主要有磨粒磨損、疲勞磨損、黏著磨損及腐蝕磨損。

發(fā)生磨損的接觸面由高低不平的顆粒組成，而發(fā)生實際接觸的僅為凸體部分，所以由于真實表面接觸面較小，使得接觸壓力較不均勻，凸體接觸部分受到極大的載荷，產(chǎn)生彈塑性變形。為了對磨損情況進(jìn)行深入研究，本文利用數(shù)值模擬軟件對真實接觸面受力進(jìn)行一定的分析，從微觀的角度研究中部槽接觸表面發(fā)生磨損的形式。

2 數(shù)值模擬研究

首先選定ABAQUS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行中部槽磨損研究，首先建立不平整接觸面即粗糙面，同時建立與粗糙面相同寬度的厚板，將粗糙表面接觸問題簡化為光滑表面與粗糙表面接觸模型，將建立的粗糙表面及光滑表面進(jìn)行裝配，完成粗糙與光滑表面接觸的滑動模型。

完成模型設(shè)定后對材料屬性進(jìn)行設(shè)置，中部槽粗糙面及光滑面材料分為16Mn、40Cr。兩種材料的力學(xué)參數(shù)分別為：彈性模量，212 GPa、200 GPa；泊松比為0.31和0.25，屈服強(qiáng)度為345 MPa和418 MPa；密度為7.87 g/cm3、7.85 g/cm3。完成模型參數(shù)設(shè)定后對模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分時遵循接觸面劃分細(xì)、非接觸面劃分略粗的原則，保證計算時間及計算精度符合要求。對模型邊界條件進(jìn)行設(shè)置，完成設(shè)置后對模型進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

首先將實際接觸面積（Ar）與理論接觸面積（An）之比（Ar/An）作為一個變量，首先對實際接觸面積與理論接觸面積之比隨加載時間的變化趨勢進(jìn)行研究，模擬結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，隨著加載時間的不斷增加，中部槽接觸面積之比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，由于理論接觸面的面積是一個恒定的值，所以接觸面之比逐步增大是指實際接觸面積逐步增大。當(dāng)加載時間在25μs內(nèi)時，此時的中部槽接觸面積之比達(dá)到最大值為0.052;當(dāng)加載時間超過25μs后，此時的接觸面積之比略微降低，這是由于接觸面積受到加載應(yīng)力的增大逐步增大，當(dāng)加載完成后，此時的接觸應(yīng)力會有一定的降低，使得接觸面積之比降低。

同時對不同加載速度及不同加載強(qiáng)度下的接觸面積之比進(jìn)行一定的研究，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖2 接觸面積之比隨加載時間變化趨勢圖

如圖3-1所示，不同加載速度下，接觸面積之比隨時間變化曲線均較為平穩(wěn)，圖中的直線代表常數(shù)擬合線。整體看來，在加載開始時，接觸面積之比都迅速升高，然后出現(xiàn)一定的降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因為加載速度并非平穩(wěn)，所以接觸面積之比會出現(xiàn)一定的波動。隨著滑動時間的增加，接觸面積之比的波動趨于穩(wěn)定。對比三種加載速度下的曲線可以看出，隨著滑動速度的增大，接觸面積之比無明顯變化，但加載的穩(wěn)定減小，波動增大。而從圖3-2可以看出，隨著加載強(qiáng)度的不斷加大，接觸面積之比呈現(xiàn)出增大的趨勢，這是由于隨著加載應(yīng)力的增大，使得加載接觸的嚙合度增大，接觸面積增大。所以可以看出影響真實接觸面積的主要因素為外部載荷而不是加載速度。

圖3 不同加載參數(shù)下接觸面積之比變化曲線

對最大接觸應(yīng)力隨時間的變化趨勢進(jìn)行分析，模擬結(jié)果如下頁圖4所示。可以看出，在加載的初期接觸壓力快速攀升，此時的外部載荷通過少數(shù)凸體傳遞。隨著加載時間的不斷增加，凸體的距離不斷縮進(jìn)，接觸的凸體數(shù)量出現(xiàn)明顯增加，平均到每個粗糙凸體上的壓力呈現(xiàn)降低的趨勢，曲線有所下降。在后續(xù)加載中，由于凸體增加造成的應(yīng)力降低量低于加載提升的應(yīng)力量，所以曲線進(jìn)一步上升。當(dāng)加載完成后發(fā)生相對運動，此時由于摩擦阻力和摩擦熱效應(yīng)導(dǎo)致最大接觸壓力出現(xiàn)不斷波動的情況。

3 結(jié)論

1）通過對接觸面積之比隨加載時間的變化趨勢進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著加載時間的不斷增加，中部槽接觸面積之比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

2）通過對不同加載速度和不同加載應(yīng)力下的接觸面積之比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響真實接觸面積的主要因素為外部載荷而不是加載速度。

圖4 最大接觸應(yīng)力隨時間的變化圖

3）通過對最大接觸應(yīng)力隨時間的變化趨勢進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著加載時間的增加，最大接觸應(yīng)力呈現(xiàn)先快速增大后平穩(wěn)再波動的趨勢。