刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計

陳 明

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

刮板輸送機(jī)作為煤礦綜采工作面運(yùn)煤和運(yùn)料的主要運(yùn)輸設(shè)備之一，鑒于煤礦井下作業(yè)環(huán)境惡劣，中部槽的強(qiáng)度、剛度、耐磨損能力較差，易發(fā)生故障，影響礦山的正常生產(chǎn)秩序。刮板輸送機(jī)中部槽作為輸送機(jī)重要的部件，其可靠性直接影響刮板輸送機(jī)的效率。眾多學(xué)者對刮板輸送機(jī)中部槽作了相關(guān)研究。賈會會[1]通過對刮板輸送機(jī)中部槽失效原因進(jìn)行深入分析，給出了對刮板輸送機(jī)中部槽的優(yōu)化方案，并通過驗證發(fā)現(xiàn)，使用整鑄溜槽代替中部槽后可以有效增大其壽命周期與其工作性能。本文通過對刮板輸送機(jī)的中部槽受力進(jìn)行分析，提出刮板輸送機(jī)中部槽的優(yōu)化方案，較好地提升了刮板輸送機(jī)中部槽的使用壽命和可靠性，為提升礦山經(jīng)濟(jì)作出了一定的貢獻(xiàn)。

1 刮板輸送機(jī)中部槽靜力學(xué)分析

對刮板輸送機(jī)的中部槽進(jìn)行靜力學(xué)分析，選定ANSYS 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，刮板輸送機(jī)中部槽在運(yùn)行過程中受力復(fù)雜，不僅受到采煤機(jī)的重力、牽引力等，還會受到液壓支架的拉架力及推溜力等，所以對刮板輸送機(jī)的中部槽進(jìn)行分析是一件相當(dāng)復(fù)雜的工作。在不影響模擬精度的前提下對各種工況下的中部槽受力進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾喕赃_(dá)到提升模擬效率的目的。中部槽模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 中部槽模型結(jié)構(gòu)

圖1 中，G1為中部槽槽寬，設(shè)定為1.448 m；G2為中部槽內(nèi)壁至煤板外側(cè)的最大水平距離，設(shè)定為0.592 m；G3為中部槽槽幫厚度，設(shè)定為0.6 m；G4為鏟煤板的厚度，設(shè)定為0.114 m；G5為銷排中心距離槽幫的距離，設(shè)定為1.7 m；G6為中部槽中心至中心線的距離，設(shè)定為0.88 m；G7為中板厚度，設(shè)定為0.06 m；G8為銷排中心線距離槽幫邊緣的距離，設(shè)定為0.376 m；G9、G10為推移耳孔中心距離底面垂直距離，分別為0.142 m 和0.212 m；G11為內(nèi)壁至下孔中心線的水平距離，設(shè)定為0.52 m；α 為鏟煤板傾角，（°）。完成模型尺寸設(shè)定后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時需要考慮到計算時間及精度，在保證計算精度的前提下，盡量降低模型單元網(wǎng)格數(shù)。本文網(wǎng)格劃分選定Solid185 六面體單元格劃分方式，完成網(wǎng)格劃分后，對模型的材料屬性進(jìn)行設(shè)定，中部槽材料密度為7.8×103kg/m3，材料的彈性模量設(shè)定為202 GPa，材料泊松比設(shè)定為0.3，材料設(shè)定為各向同性。對模型進(jìn)行約束設(shè)定，將中部槽三個端頭設(shè)定為固定約束，同時在三個接觸面節(jié)點的六個自由面均約束其X、Y、Z 方向的位移。完成模型設(shè)定后對模型進(jìn)行模擬計算[2]。當(dāng)采煤機(jī)完成一個步距時，此時刮板輸送機(jī)需要推進(jìn)到下一個步距，此時為推溜。推溜工況下中部槽受力模擬云圖如下頁圖2 所示。

由下頁圖2 可以看出，中部槽在推溜工況下，整體應(yīng)力集中出現(xiàn)在推移耳及其上方的凸端頭、凹端頭、中板和槽幫位置，其中在槽幫及推移耳位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，此時承受推溜力的面應(yīng)力最大，應(yīng)力最大值為264.097 MPa，同時在凸端頭和推移耳的上方槽幫位置的應(yīng)力較大，應(yīng)力為200.453 MPa，此時的應(yīng)力值僅較推移耳承受載荷位置小。由此可以看出，中部槽及槽幫的受力大小隨著距離的增大逐步減小，不同位置受到的應(yīng)力不同，在長期的工作強(qiáng)度下，推移耳由于受到的強(qiáng)度較大，極易發(fā)生損壞，但由于受到的應(yīng)力未超過其屈服極限，所以不會發(fā)生斷裂[3]。

圖2 推溜工況下刮板輸送機(jī)中部槽應(yīng)力（MPa）分布

當(dāng)刮板輸送機(jī)完成一個推溜過程后，此時的支架需要以刮板輸送機(jī)為支點，進(jìn)行支架拉架前移，此時在刮板輸送機(jī)的中部槽結(jié)構(gòu)上反映為支架液壓缸一端固定另一端拉動支架，此過程稱為拉架。拉架工況下中部槽受力模擬云圖如圖3 所示。

圖3 拉架工況下刮板機(jī)中部槽應(yīng)力（MPa）分布

由圖3 可知，中部槽在拉架工況下，整體應(yīng)力集中出現(xiàn)在推移耳及凸端頭位置，同時在推移耳及其下方的底板位置受力較大，其中在槽幫及推移耳位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象最大，應(yīng)力最大值為205.536MPa，同時在凸端頭根部位置的應(yīng)力較大，為137.025 MPa，凹端頭的應(yīng)力值較小。可以看出雖然拉架工況下刮板輸送機(jī)中部槽的整體受力較推溜工況下的中部槽整體應(yīng)力值小，但在長期高強(qiáng)度使用下，極易造成中部槽部件的變形及損傷[4]。

2 中部槽優(yōu)化設(shè)計

拓?fù)鋬?yōu)化本質(zhì)上是一種基于數(shù)學(xué)方法的優(yōu)化方法，主要是在一定的范圍內(nèi)尋找各種參數(shù)的最優(yōu)配比，以此達(dá)到優(yōu)化的目的。本文利用拓?fù)鋬?yōu)化方式對刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)先前兩種工況下中部槽的應(yīng)力云圖可以看出，中部槽遠(yuǎn)離受力面的位置應(yīng)力均不大，在中部槽推移耳位置受力較大，所以需要對推移耳進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。對優(yōu)化部位和不優(yōu)化部位進(jìn)行尺寸切割，從而得到中部槽的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可看出，當(dāng)減小材料的百分比為75%時，此時的性能較好，優(yōu)化后拉架工況及推溜工況下中部槽應(yīng)力云圖如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化后兩種工況下中部槽應(yīng)力云圖

由圖4 可知，當(dāng)在推溜工況下時，此時的中部槽最大應(yīng)力值出現(xiàn)的位置在中部槽推移耳處，此時在中板連接推移耳的位置應(yīng)力值同樣較大，推移耳的最大應(yīng)力值為236.64 MPa，較優(yōu)化前推移耳處的應(yīng)力值有了一定的降低，優(yōu)化效果較好。當(dāng)在拉架工況下時，此時的中部槽最大應(yīng)力值出現(xiàn)的位置在中部槽推移耳處，此時的底板位置應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，這是由于底板的材料尺寸減小，所以應(yīng)力增大，推移耳的最大應(yīng)力值為296.15 MPa，較優(yōu)化前推移耳處的應(yīng)力值有了一定的增大，但仍未超過材料的許用強(qiáng)度，起到了一定的減材增效作用，整體來說刮板輸送機(jī)的中部槽優(yōu)化效果較好，為降低成本提供一定的貢獻(xiàn)[5]。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行數(shù)值模擬建模，給出了建模的過程及參數(shù)設(shè)定，為了對刮板輸送機(jī)中部槽靜力學(xué)分析作出一定的鋪墊。

2）利用數(shù)值模擬軟件對拉架工況及推溜工況下刮板輸送機(jī)中部槽應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩種工況下中部槽應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在推移耳處，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供條件。

3）通過拓?fù)鋬?yōu)化給出了中部槽的優(yōu)化方案，并通過數(shù)值模擬軟件對優(yōu)化后的方案進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后中部槽最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值，起到了減材增效的作用，優(yōu)化設(shè)計可行。