刮板輸送機中部槽槽幫斷裂失效研究與優化

樊 兵

（西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機是礦井綜采工作面重要的運輸設備，刮板輸送機性能的優良直接決定了工作面推進的速度。中部槽作為刮板輸送機運輸和承載的主要載體，對刮板輸送機的性能有決定性影響。井下特殊的開采環境，使得刮板輸送機既要承受垂直應力，也需承受運行過程中的摩擦力和破碎巖塊帶來的沖擊力。在滑靴運行的過程中，當底板突起嚴重時，導致采煤機的整體重量施加在中部槽上，因此造成中部槽的斷裂失效。目前，煤礦中因為中部槽失效的案例較多，中部槽損壞的形式也有很多，除了采煤機造成的中部槽斷裂之外，啞鈴窩凸凹端以及推移耳造成的失效斷裂也是主要的破壞形式。因為井下生產環境惡劣，工作空間較為狹小，一旦中部槽失效，進行更換維修將變得非常困難，導致工作面推進的速度降低，影響生產的效率。本文針對中部槽斷裂現象，將對其進行力學分析和參數優化設計，研究結果可供煤礦改進中部槽參考。

1 直線截割工況下中部槽的力學分析

采煤機在井下工作時，直線截割作業是最為常見的一種工作狀態。在直線截割作業下，采煤機對中部槽的力學測量困難，無法實現，因為刮板輸送機的主體主要是由若干中部槽拼接而成，因此只了解中部槽中一節的載荷作用便可。中部槽在運動的過程中，與其相連接的采煤機滑靴以及行走齒輪是影響其力學性能的重要因素，又因為其特殊的連接方式，使得中部槽的運動是一個連續的動態過程。為此，選取三種有代表性的工況對中部槽受力特征進行分析，從而得到載荷作用下中部槽的力學特性。

因為實際數據難以測量，因此利用數值模擬軟件進行分析。為了簡化對中部槽的力學分析，將中部槽的底板、槽幫以及推移耳等部件看作一個整體，為了充分反映運行過程中不同節中部槽的力學影響，固選擇三節中部槽進行建模分析，主要分析中間中部槽的力學性能，因此在模型的建立上，盡量細化中間中部槽，簡化兩端中部槽，去除多余倒角。

利用ANSYS 軟件，對中部槽進行建模，考慮到礦井的實際開采狀況，定義中部槽的材料為ZG30MnSi，采用8 節點、6 級精度的網格控制進行網格劃分，底板性質定義為煤巖，采用8 節點、6 級精度的網格控制進行網格劃分。

模型建立成功后，根據實際狀況對模型施加載荷，得到圖1 所示的中部槽應力云圖。從圖中可以看出，前槽幫肋板根部周圍的應力集中現象明顯，根據實際的生產經驗，當中部槽損壞后，兩肋板根部裂紋擴展明顯，但是因為裂紋源不同使得兩側的裂紋擴展沒有貫穿，而是從各自的肋板根部擴展發育。因為材料的抗壓強度大于模擬中的等效應力，因此中部槽不會出現斷裂狀況。

圖1 中部槽應力（MPa）云圖

根據上述討論可以得到，肋板根部所受的等效應力影響著裂紋的擴展，而載荷直接影響著肋板根部的等效應力。所以可以得到滑靴作用是導致中部槽斷裂的主要原因。當滑靴在中部槽上方時，采煤機的重量通過滑靴施加在中部槽上，當采煤機運行時，中部槽還受到摩擦力的作用，雖然底板起到一定的支撐作用，但是在壓力的長期作用下，鏟煤板依舊會發生嚴重的變形，在前槽幫肋板的阻礙作用下，導致肋板根部產生變形，因此滑靴所受的垂直應力是影響肋板開裂的主要原因。

2 中部槽多目標驅動優化

通過對中部槽力學分析發現，中部槽的斷裂主要是因為鏟煤板受力過大，因為中部槽的受力特征可以看做多載荷的靜力受力，因此從靜態的角度對中部槽進行優化設計，從而降低鏟煤板肋板根部的受力，提高中部槽的穩定可靠性。對于中部槽的優化設計，利用ANSYS 軟件中的Workbench 模塊進行分析。優化方案中中部槽的具體參數如表1 所示。

表1 中部槽各部位參數以及優化結果

為了更直觀地觀察各參數下中部槽的等效應力，繪制圖2 所示的設備參數三維應力響應圖，從圖中可以看出，中部槽的等效應力隨著輸入參數的增加整體呈現降低的趨勢，當各參數增加時，中部槽的質量也增加。從圖2 中可以看出，當肋板厚度、鏟煤板厚度、鏟煤板長度以及肋板根部倒角參數增加時，曲線的斜率呈現降低的趨勢，說明參數的增加并不會一直降低設備的等效應力值，而一直增加設備的參數使得中部槽的質量增加，使得設備投入成本增加。為此，應該選擇最佳的優化參數，當肋板厚度為27.13 mm、鏟煤板厚度為59.32 mm、鏟煤板長度為231.25 mm 以及肋板根部倒角為31.87 mm 時，中部槽的承受壓力為324 MPa，設備的質量為534.21 kg，成本投入較大，設備的承壓能力較大。

圖2 設備參數三維應力響應圖

將優化后的參數建立為模型與原有參數下的模型進行比較，得到如表2 所示的對比結果。

表2 優化前后中部槽參數對比

對比優化前后的模型質量，優化后模型較原模型的質量降低了3.97%，中部槽承受的最大等效應力值降低為4.9%。通過中部槽多目標驅動優化降低了設備的質量以及等效應力值，可以有效避免中部槽斷裂的現象。

3 結論

1）對刮板輸送機在直線截割工況下力學分析，得到無論在何種工況下，中部槽在壓力以及摩擦力的共同作用下肋板根部都會出現嚴重的變形，最終導致中部槽槽幫的斷裂失效。

2）針對失效問題進行了中部槽多目標驅動優化，得到了最佳的優化參數，且優化后的中部槽質量下降，最大等效應力也降低，提高了中部槽的可靠性。