刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析及其優(yōu)化改進(jìn)

王 娜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司機(jī)電設(shè)備中心，山西 大同 037003）

引言

刮板輸送機(jī)是綜采工作面中重要的煤礦采集和運(yùn)輸裝備，其工作效率對整個采煤效率有非常重要的影響[1]。中部槽結(jié)構(gòu)是刮板輸送機(jī)中的重要受力結(jié)構(gòu)件，在工作過程中需要承受比較大的載荷，且承受的是循環(huán)作用力[2]。復(fù)雜的工作環(huán)境導(dǎo)致中部槽結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)各類故障問題[3]。已有的實(shí)踐經(jīng)驗表明，中部槽結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的故障次數(shù)在整個刮板輸送機(jī)故障中占據(jù)很大比例[4]。基于此，針對刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以提升其服役壽命是煤礦企業(yè)不得不面對的重要問題[5-6]。本文以SGZ1000/3×1000型刮板輸送機(jī)為例，對其中部槽結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行有限元分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)踐情況對中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取得了很好的應(yīng)用效果。

1 刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)概述

SGZ1000/3×1000型刮板輸送機(jī)在結(jié)構(gòu)上可以被劃分成為四個部分，分別為機(jī)尾段、機(jī)頭段、中間段和過渡段。刮板輸送機(jī)同時由三臺電機(jī)驅(qū)動，每臺電機(jī)的功率為1 000 kW。鏈條運(yùn)行速度為1.56 m/s，煤礦物料輸送能力為1 000 t/h，適合在傾角不超過10°的工作面中使用。中部槽結(jié)構(gòu)是刮板輸送機(jī)中的重要構(gòu)成部分，見圖1。從圖中可以看出，中部槽由多個結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，其中最主要的包括中板、底板、軌座、鏟板槽幫、擋板槽幫、聯(lián)結(jié)板等。這些結(jié)構(gòu)件主要通過焊接的方式進(jìn)行生產(chǎn)制作。刮板輸送機(jī)工作時運(yùn)輸?shù)拿旱V物料重量全部會作用到中部槽結(jié)構(gòu)中，對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提出了較高的要求。實(shí)踐表明，中部槽結(jié)構(gòu)運(yùn)行時比其他部位更容易出現(xiàn)故障問題。因此，非常有必要對中部槽結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行深入分析，以便發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

圖1 刮板輸送機(jī)中部槽的整體結(jié)構(gòu)

2 刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模型的建立

2.1 三維模型的建立

在對刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析前，需要利用三維建模軟件對其幾何模型進(jìn)行建立，使用的軟件為PRO/E。需要說明的是，圖中顯示了中部槽結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)，對一些非重要結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)比如圓角、小孔、倒角等部位進(jìn)行了省略處理，目的在于在保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，縮短模型計算時間。

2.2 有限元模型的建立

有限元分析工作由ANSYS軟件來完成，需要將PRO/E軟件建立的幾何模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行進(jìn)一步建模。模型導(dǎo)入后，根據(jù)實(shí)際情況對中部槽結(jié)構(gòu)不同部位零件的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。其中，鏟板槽幫、擋板槽幫、軌座零件使用的材料均為ZG30MnSi，中板、底板零件使用的材料均為NM360，聯(lián)接板和銷軌零件使用的材料分別為Q345B和42CrMo。查閱材料手冊可知上述幾種材料的基本力學(xué)和物理屬性，將其輸入到有限元模型中，以便得到更加準(zhǔn)確和真實(shí)的結(jié)果。

完成材料屬性設(shè)置后，需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這是有限分析中必不可少的也是非常重要的環(huán)節(jié)。ANSYS軟件中有多種類型的網(wǎng)格形單元，結(jié)合實(shí)際情況本模型中選用的是六面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小按照軟件推薦的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。最終劃分得到了網(wǎng)格單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為8 324和9 253個。

3 中部槽結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果

完成有限元模型建立工作后，就可以調(diào)用分析計算模塊對模型進(jìn)行計算分析，然后對結(jié)果進(jìn)行提取。如圖2所示為中部槽結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果，圖中主要顯示了中部槽結(jié)構(gòu)不同部位的受力情況。從圖中可以明顯看出，中部槽結(jié)構(gòu)不同部位的受力情況存在很大的差異。很多部位基本上沒有承受應(yīng)力，等效應(yīng)力為0，但局部位置的最大等效應(yīng)力達(dá)到了588 MPa，最大應(yīng)力值出現(xiàn)的部位主要在鏟板槽幫部位。鏟板槽幫使用的材料為ZG30MnSi，該型號材料的屈服強(qiáng)度為600 MPa左右。雖然中部槽結(jié)構(gòu)局部最大應(yīng)力值沒有超過材料的屈服強(qiáng)度，但已經(jīng)非常接近。中部槽結(jié)構(gòu)工作過程中需要承受循環(huán)載荷。最大應(yīng)力部位在循環(huán)載荷作用下非常容易出現(xiàn)疲勞損傷，進(jìn)而引發(fā)微裂紋，最終導(dǎo)致該部位出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

圖2 中部槽結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果（單位：MPa）

在工程實(shí)踐中，刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)的鏟板槽幫部位就容易出現(xiàn)斷裂問題，見圖3。該結(jié)果與本文研究的結(jié)果基本相同。理論和實(shí)踐結(jié)果均表明，中部槽的鏟板槽幫部位是薄弱環(huán)節(jié)，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)，以完善整個中部槽結(jié)構(gòu)的受力情況，使其受力更加均勻，降低局部最大應(yīng)力值。

圖3 鏟板槽幫部位損壞的現(xiàn)場圖片

4 中部槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)研究

在以往的中部槽結(jié)構(gòu)中，鏟板槽幫部位中的橫板和豎板沒有進(jìn)行連接，使得該部位的結(jié)構(gòu)件相互獨(dú)立，降低了該部位的剛度，因為容易出現(xiàn)斷裂的問題，見圖4。基于此，結(jié)合實(shí)際情況將鏟板槽幫對應(yīng)位置的橫板和豎板進(jìn)行連接，以提升該部位的剛度，改進(jìn)后的鏟板槽幫結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中圓圈內(nèi)就是改進(jìn)的部位。

圖4 中部槽鏟板槽幫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)措施

利用PRO/E和ANSYS軟件根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，建立對應(yīng)的有限元模型，模型的建立過程和其他條件設(shè)置全部一樣，再次對中部槽鏟板槽幫靜力學(xué)情況進(jìn)行分析，所得結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，中部槽結(jié)構(gòu)的整體受力仍然不均勻，這是不可避免的現(xiàn)象，因為中部槽結(jié)構(gòu)工作時承受的就是非均勻作用力。與優(yōu)化改進(jìn)前的受力情況對比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化改進(jìn)后中部槽結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值降低到了452.31 MPa。出現(xiàn)最大應(yīng)力值的部位仍然集中在鏟板槽幫。眾所周知，零部件承受循環(huán)載荷時，當(dāng)最大應(yīng)力值降低時，結(jié)構(gòu)能夠承受的循環(huán)次數(shù)將會顯著增加。中部槽結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的降低意味著結(jié)構(gòu)的使用壽命延長，顯著提升了中部槽結(jié)構(gòu)的服役可靠性和穩(wěn)定性。

圖5 優(yōu)化改進(jìn)后中部槽結(jié)構(gòu)的受力（MPa）情況

5 結(jié)論

將研究的優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到刮板輸送機(jī)工程實(shí)踐中，取得了很好的應(yīng)用效果。實(shí)踐過程中中部槽結(jié)構(gòu)的故障率有了顯著降低，與優(yōu)化改進(jìn)前相比，中部槽結(jié)構(gòu)的使用壽命提升了20%以上，不僅為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本，同時還提升了設(shè)備的開機(jī)時間，進(jìn)一步發(fā)揮了設(shè)備應(yīng)有的效率。總之，對刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了煤礦企業(yè)技術(shù)人員的一致認(rèn)可。