刮板輸送機中部槽優化設計研究

劉 波

（山西長治經坊莊子河煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

我國煤炭資源儲量豐富，產煤量位居世界第一。統計表明，世界1/3 的煤炭資源產于中國，隨著能源的轉型，清潔能源的發展日益加速，但由于我國國民對能源需求量較大，且我國人口較多，使得清潔能源對于整體的能源需求可謂杯水車薪，所以煤炭資源仍是我國主要的能源消耗。礦山機械作為我國煤炭資源開采重要的機械設備之一，其性能的穩定直接確定著礦井的生產效率。刮板輸送機作為礦井主要的運輸設備，其主要承載著煤炭資源運輸的作用，但在刮板輸送機運輸過程中，由于礦井工作環境較為惡劣，使得刮板輸送機在運行過程中極易發生損壞，中部槽作為刮板輸送機的核心部件[1-2]，其受到惡劣工況的影響極易使關鍵部件發生故障，所以提升刮板輸送機中部槽的可靠性對于刮板輸送機的高效運行十分重要[3-4]。本文以SGZ100/3×1000 型刮板輸送機為研究對象，利用數值模擬軟件對刮板輸送機中部槽進行優化研究，為礦井刮板輸送機優化設計提供一定的參考與借鑒。

1 數值模擬分析

綜采工作面的設備主要有刮板輸送機、液壓支架、采煤機等，其共同完成工作面落煤、裝煤、運煤等工作。刮板輸送機是通過傳動裝置帶動刮板鏈從而使得煤炭沿著機頭機尾電機運輸至裝置機上，所以其不但承載運輸的功能，同時是采煤機行走的軌跡。刮板輸送機的中部槽根據刮板輸送機的類型不同也存在一定的不同，傳統的中部槽結構可分為軋制槽幫鋼焊接中部槽、鑄造槽幫焊接中部槽、開底式和封底板式中部槽及整體鑄造中部槽。根據不同類型中部槽的特點，本文結合實際情況選定鑄造槽幫焊接，封底式中部槽類型，對中部槽進行優化研究。

為了研究刮板輸送機中部槽的受力特征，從而給出刮板輸送機中部槽易發生破壞的位置，首先進行模型的建立。在進行模型建立時，由于中部槽結構較為復雜，所以在進行模型建立時忽略模型的細小結構，將模型的倒角、螺栓等進行簡化，在Pro/E 軟件中進行模型的建立，模型的尺寸設定為中部槽槽長1.75 m，模型分為五節，將建立好的模型導入ANSYS數值模擬軟件，導入模擬軟件后對模型進行網格劃分。網格劃分對于模擬的計算十分重要，其在一定程度上影響著計算的精度，所以為了保證一定的計算精度，盡量減少計算的時間是十分重要的。因此本文采用8 節4 點網格單元進行劃分，劃分完成后共計316 872 個節點和195 847 個單元。中部槽網格劃分如圖1 所示。

圖1 中部槽網格劃分

完成模型網格劃分后對模型的約束條件及物理參數進行設定，分別對不同工作狀態下的模型約束進行設定，同時對中部槽的材料特性進行設定，具體的材料特性見表1。

表1 材料特性參照

完成模型的材料選定及約束設定后，對模型進行模擬研究，分別對直行割煤、斜進刀割煤、推溜工作及拉架工作狀態下中部槽的受力情形進行分析，給出四種工況下的中部槽應力分布云圖，如圖2所示。

圖2 不同工況下中部槽應力（MPa）圖

由圖2-1 可知，直行割煤工況下最大的應力值為399.9 MPa，此時的最大應力值出現在中部槽鏟板槽幫的凸出端，此時的應力最大值小于材料的屈服極限，所以在直行割煤狀態下中部槽的損壞較小。由圖2-2 可知，刮板輸送機為斜進刀狀態時的中部槽各部件應力值均小于材料的屈服強度，最大的材料應力值為356.1 MPa，考慮到斜進刀工作時由于進刀方式的不同，使得軌座位置極易出現開焊的情況，所以應當加強軌座的焊接。由圖2-3 可知，當刮板輸送機為推溜工況時，此時在410 t 拉力作用下，在槽幫的啞鈴窩位置會有一定的壓潰現象出現，此時中部槽會發生一定的塑性變形，但整體不會出現斷裂的情況。由圖2-4 可知，當刮板輸送機為拉架工況時，此時在鏟板的槽幫端頭會出現應力集中，此時的最大應力值為519.7 MPa（工況實際值），最大應力值低于材料的屈服強度，所以不會發生較大的變形。

2 中部槽優化設計

根據對不同工況下刮板輸送機中部槽的結構進行模擬研究，確定了槽幫啞鈴窩處為模型易發生破壞的位置，所以對中部槽的槽幫啞鈴窩進行優化設計。中部槽槽幫主要由中板、底板、擋板槽幫和鏟板槽幫等組成，所以對中部槽進行優化也就是對中部槽的結構進行優化設計。根據先前的研究對槽幫的啞鈴窩進行補強，將槽幫進行加寬，提升其可靠性。完成優化后對其進行數值模擬分析，確定優化設計的可行性。

由圖3 可知，當結構未經過優化時，此時的應力分布最大值為1 470 MPa，而優化后的應力分布最大值為1 461.5 MPa，從應力分布云圖可以看出，經過優化后應力分布較優化前有了一些改善，在相同位置的應力值低于優化前，中部槽的結構得到了一定的改善，同時對比優化前后應力分布云圖可以看出，在槽幫外側的應力分布較為均勻，且經過優化后應力集中現象有了一些改善（深橘色區域面積減小），所以優化后的刮板輸送機中部槽受力情況得到了有效的改善，所以在進行中部槽設計時應當對啞鈴窩進行調整，增強結構的強度，在不改變生產工藝的前提下有效地提升刮板輸送機中部槽的可靠性，為礦井高效開采打下基礎。

圖3 優化前后應力（MPa）分布云圖

3 結論

1）為了提升刮板輸送機中部槽穩定性，本文給出了刮板輸送機中部槽數值模擬的建模過程，為后續的模擬研究奠定基礎。

2）通過對直行割煤、斜進刀割煤、推溜工作及拉架工作狀態下中部槽的受力情形進行分析，給出了刮板輸送機中部槽薄弱位置，為后續的優化提供參考。

3）對中部槽啞鈴窩進行優化，經過優化后應力分布較優化前有了一些改善，在相同位置的應力值低于優化前，中部槽的結構得到了一定的改善。