基于ANSYS Workbench刮板輸送機中部槽的結構分析

胡瑾

（西山煤電集團設計院，太原 030053）

0 引言

中部槽在刮板輸送機中起著貨載、支撐刮板鏈等重要作用，作為刮板輸送機的主要機身構件，同時也為采煤機提供運行軌道和為所運輸的物料提供承載，而中部槽自身的質量可以占到刮板輸送機整機質量的70%以上，在實際的工作運行中，所輸送的物料、刮板輸送機自身的刮板、鏈條都會對中部槽產生一定的磨損，因此中部槽就成為了整個刮板輸送機中磨損量和使用量最大的消耗構件。因此中部槽在工作運行過程中的磨損程度直接決定了刮板輸送機的使用壽命[1]。

中部槽按其制造工藝可分為鑄造槽幫、熱軋槽幫，截面形狀主要有Σ型、M型和D型，采用焊接工藝將中板、封底板、兩側的槽幫及相配套的端頭連接件焊接組裝完成。根據需要承受和輸送的載荷，中部槽可以分為輕型、中型、重型。按本身的結構特點可以分為敞底式和封底式，按封底方式的不同可以分為整體式和分體式，按加工工藝可以分為壓制式、軋制式及鑄焊式；而中部槽可以根據不同的環境要求、工作狀況，進行不同形式的組合分類，能夠滿足不同的實際工作情況。

在中部槽工作運行中，一方面為輸送的物料提供支撐，另一方面為刮板鏈條提供軌道導向，同時還要承受液壓支架的推拉載荷，在不同的工況條件和工作環境下，刮板輸送機中部槽要受到刮板、鏈條、所運輸的流動物料所產生的動載荷和摩擦，中部槽的工作場所往往在井下，在運行使用時，井下會產生具有腐蝕性的廢水，從而加劇了中部槽的腐蝕，在實際的運行生產過程中，工況的復雜和環境的惡劣這就對中部槽自身的強度、硬度、加工工藝條件、使用安全性能有更高的要求，而高錳鋼自身具有較好的耐磨性及一定的強度、硬度，往往被選為刮板輸送機中部槽的制作材料。

1 刮板輸送機運動分析

刮板輸送機在煤礦井下工作運行時，主要的工作任務是：一是為采煤機的煤層切割運動提供運行軌道；二是推動整體的液壓支護支架靠近煤層移動。因此刮板輸送機的運行工況可以分為推流和拉架[2]。圖2為推溜工況下的示意圖。

圖1 刮板輸送機和采煤機、液壓支架配套系統

圖2 推溜工作狀態示意圖

在綜采系統過程中，刮板輸送機的中部槽是主要的易損構件，在整個系統進行機械化采煤過程中，主要受到以下幾種載荷：

1）采煤機在進行煤層切割的過程中，主要受到的載荷是：采煤機的重力、牽引力；煤塊對中部槽的沖擊力；與煤層底板的摩擦力、對中部槽的支撐力；在運動過程中煤與鏈條的摩擦力。

2）刮板輸送機在推溜工況時，受力的情況是：液壓支護支架底座的推移裝置對中部槽產生的推溜力，與啞鈴銷相連接的部位對其所產生的反作用力，在運行過程中煤層對其底板、側板所產生的壓力和摩擦力[3]。

3）在切割煤層的過程中，主要受到來自煤層下落時對底板的沖擊力、在運行過程中煤流、鏈條對底板所產生的摩擦力、采煤機的滾筒切入煤層時所產生的反作用力。

2 中部槽的結構分析

本文首先在Solid Edge中對中部槽進行三維實體建模，再對建好的模型進行有限元分析，得到在不同的工況下中部槽載荷分布的受力情況，本次建模過程中主要對中部槽的左右槽幫、中板、底板及端頭的連接件進行建模，對其進行焊接工藝處理。擋煤板、銷排座等不是主要的承載構件，在不影響分析精確度的前提下，對其進行一定的簡化處理，所以再對中部槽進行三維實體建模時，忽略了擋煤板、銷排座等構件對模型的影響[4]。在Solid Edge中對刮板輸送機中部槽進行三維建模時，對槽幫的倒角、圓角、凹槽等不影響整體結構分析的局部細小構件進行適當的忽略和簡化。

本次運用ANSYS Workbench進行結構受力分析，將原先在Solid Edge中建立的中部槽三維模型（已簡化）導入到結構分析軟件中，選用六面體單元不僅便于建立復雜模型，還可以模擬多種接觸問題。不僅方便對模型進行網格劃分，而且有利于中部槽的結構分析。圖3、圖4為中部槽的實物照片和簡化后的三維實體模型。

圖3 中部槽的實物照片

圖4 中部槽的簡化模型

從劃分的網格圖中，可以看出在推移耳的位置有密集的網格分布和較集中的應力，出現了不對稱的單元網格形狀，同時在實際的分析操作過程中，采用分割的方式時，在應力比較集中的區域內，可能會生成結構化網格，所以對結構分析的準確度造成一定的影響，在網格劃分中，此次中部槽的實體模型共有27 511個單元，50 457個節點，圖5為中部槽的有限元模型。組成中部槽的各個部件存在一定的材料差異，主要體現在抗拉強度和屈服強度上，在進行有關的有限元分析計算時，由于彈性模量、泊松比的差異不大，對相關的技術分析參數進行統一的設定。各構件的彈性模量E=205 GPa，泊松比λ=0.3。材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

圖5 中部槽的網格劃分

3 中部槽的工況分析

3.1 在推溜工況下的結構分析

在推溜工況時，施加的約束和載荷主要為：由鏟煤板的啞鈴銷座施加的與地面垂直的豎向載荷；由鏟煤板的槽幫、擋煤板的兩側施加的縱向載荷；來自液壓支架的推溜力[5]。經過加載和分析，得到中部槽在推溜的工況下整體的應力圖和應變圖，如圖6、圖7所示。

圖6 推溜時中部槽的應力云圖

圖7 推溜時中部槽應變云圖

3.2 在拉架工況下的結構分析

與推溜工況的不同之處在于：在拉架工況時，推移耳作用的位置和方向, 不能簡單地認為拉架工況是推溜工況的反作用，所以在實際的綜采工作面操作時，拉架工況也是極為重要的，在結構分析中，也要對拉架工況進行相應的模擬分析。

在ANSYS Workbench中，對導入的中部槽實體模型進行分析得出：在實際運行過程中，應力的最大值發生在槽幫的推移耳處，從云圖可以看出，最大的應力、應變都處在安全的范圍之內，并且還有很大的余量，因此在拉架的過程中中部槽處于安全的狀態，滿足生產的需求。圖8、圖9為拉架工況下的應力、應變圖。

圖8 拉架時中部槽應力圖

圖9 拉架時中部槽應變圖

通過對刮板輸送機中部槽在不同工況下的結構分析得出，影響中部槽結構的穩定性和安全性的主要因素是在推移耳處所受到的應力，因此強化推移耳的設計和加工工藝就尤為重要，為中部槽的改進提供一定的數據參考。

4 結語

在實際的井下綜采生產過程中，刮板輸送機發揮著舉足輕重的作用，在生產運行過程中，由于中部槽的疲勞磨損和破壞，極易引起生產事故的發生，因此中部槽的設計和加工非常重要，本文采用Solid Edge對中部槽進行實體建模，導入ANSYS Workbench中對實體模型進行網格劃分得到有限元模型，通過施加載荷和靜力學的結構分析得出在推溜和拉架不同工況下的應力應變圖，最后對兩個工況下應力應變結果的對比分析，發現在不同的工況下，中部槽的應力、應變變化主要取決于相對比較薄弱的推移耳的應力變化，但這些變化都處在疲勞強度的允許范圍之內，不會引起較大的破壞，此次分析也明確了刮板輸送機在生產運行過程中需要注意的安全隱患，同時也為中部槽的設計優化提供了方向。