刮板輸送機(jī)中部槽參數(shù)優(yōu)化研究

徐 浩

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 太原 030024）

引言

刮板輸送機(jī)作為我國(guó)重要的煤礦運(yùn)輸設(shè)備，其主要承擔(dān)著運(yùn)煤、運(yùn)矸的任務(wù)，在日常工作過(guò)程中，刮板輸送機(jī)可以根據(jù)相應(yīng)的采煤方式變化調(diào)節(jié)運(yùn)輸方式[1-2]。主要的運(yùn)輸方式可以分為傾斜運(yùn)輸及水平運(yùn)輸。刮板輸送機(jī)中部槽作為刮板輸送機(jī)重要的部件，其質(zhì)量約占刮板輸送機(jī)總質(zhì)量的7 成，中部槽是刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸功能的重要保證。在實(shí)際工作中，由于礦井環(huán)境較為惡劣，使得刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中受到外部載荷及內(nèi)部電壓不穩(wěn)的影響出現(xiàn)較大程度的磨損，嚴(yán)重限制了機(jī)械的使用壽命及使用性能，所以對(duì)刮板輸送機(jī)的中部槽進(jìn)行優(yōu)化研究是十分必要的[3-4]。

1 數(shù)值模擬研究

中部槽主要是由中板、底板、鏟板槽幫、擋板槽幫、銷(xiāo)軌座組成，每節(jié)中部槽通過(guò)啞鈴銷(xiāo)進(jìn)行連接，其中擋板槽幫的推移耳主要是用于推溜拉架，而鏟板槽幫主要用于刮板輸送機(jī)運(yùn)行的軌道支撐作用。對(duì)刮板輸送機(jī)的在中部槽進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析首先需要對(duì)中部槽受力進(jìn)行分析，一般來(lái)說(shuō)中部槽的受力來(lái)源于兩個(gè)部分，一部分為采煤機(jī)自重作用于中部槽，另一部分是由于滾筒截割煤層時(shí)受到的截割組成傳遞到中部槽上的力。

對(duì)中部槽進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，首先進(jìn)行模型的建立，從模擬軟件的外接模塊ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行三維模型的導(dǎo)入，對(duì)模型的單元進(jìn)行劃分，本文選用solid185 單元對(duì)平滑靴進(jìn)行劃分，中部槽及啞鈴銷(xiāo)采用solid187 進(jìn)行劃分，完成模型劃分后對(duì)中部槽的材料進(jìn)行選擇，中部槽采用ZG30MnSi，啞鈴銷(xiāo)選用30CrMnTi。對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，對(duì)中部槽底面進(jìn)行固定，同時(shí)對(duì)銷(xiāo)軌座和中部槽施加固定約束。分別對(duì)三個(gè)時(shí)間下的等效應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，應(yīng)力云圖如圖1 所示。

圖1 直線(xiàn)工況三個(gè)時(shí)間下的等效應(yīng)力（Pa）云圖

從圖1 中可以看出，在中部槽的啞鈴窩處及鏟煤板肋板根部位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。其中中部槽啞鈴窩處的高應(yīng)力主要是由于中部槽的端頭位置相互搭接，從而在端頭位置會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的應(yīng)力，造成啞鈴窩處出現(xiàn)應(yīng)力集中。同時(shí)通過(guò)分析云圖可以看出，當(dāng)平滑靴運(yùn)動(dòng)之鏟煤板位置時(shí)，此時(shí)會(huì)在中部槽的啞鈴窩處出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，啞鈴窩處會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。在鏟煤板側(cè)肋板根部的應(yīng)力集中會(huì)隨著平滑靴的運(yùn)動(dòng)而改變，這是由于平滑靴對(duì)鏟煤板產(chǎn)生向下的力，使得鏟煤板出現(xiàn)向下的變形，所以肋板由于阻止這種變形會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。

對(duì)斜切工況下的受力進(jìn)行分析，分別給出三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)的等效應(yīng)力云圖，應(yīng)力云圖如下頁(yè)2 所示。

從下頁(yè)圖2 可以看出，斜切工況下的應(yīng)集中位置與直線(xiàn)工況下的應(yīng)力集中位置幾乎沒(méi)差，同樣集中在肋板的根部及啞鈴窩處，在斜切工況下，在后槽幫的位置雖然無(wú)明顯的應(yīng)力集中情況，但應(yīng)力變化情況較為明顯，這是由于在銷(xiāo)軌處未設(shè)置X 方向的約束，所以造成X 方向上等效應(yīng)力變化明顯的現(xiàn)象。在肋板的根部及啞鈴窩處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的重要原因與直線(xiàn)工況下的應(yīng)力集中的原因類(lèi)似，所以可以看出在直線(xiàn)工況及斜切工況下肋板的根部及啞鈴窩處均是部件的薄弱點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證設(shè)備的工作性能及使用壽命。

圖2 斜切工況三個(gè)時(shí)間下的等效應(yīng)力（Pa）云圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于先前模擬得出中部槽的薄弱位置為肋板的根部及啞鈴窩處，所以選定優(yōu)化參數(shù)為肋板倒角、啞鈴窩弧形半徑、鏟板厚度、肋板厚度，將四組參數(shù)輸入U(xiǎn)G 軟件中，軟件通過(guò)靜力學(xué)分析選定最佳的參數(shù)配置，在軟件中設(shè)計(jì)變量并給出目標(biāo)函數(shù)及約束條件的設(shè)定，通過(guò)仿真模擬確定最佳的參數(shù)，保證模型受力小于材料得許用強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)比分析，系統(tǒng)給出最佳的參數(shù)為肋板倒角29.8 mm、啞鈴窩弧形半徑34.1 mm、鏟板厚度94.1 mm、肋板厚度30.9 mm，得出最佳的參數(shù)后對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行模擬，模型的受力云圖如3 所示。

從圖3 可以看出，通過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行優(yōu)化后，整體中部槽的受力較為平均，僅在肋板位置出現(xiàn)面積較小的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力為211.2 MPa，較優(yōu)化前的應(yīng)力有了明顯的降低，同時(shí)由于優(yōu)化肋板倒角、啞鈴窩弧形半徑、鏟板厚度、肋板厚度的結(jié)構(gòu)尺寸，使得整體部件制作成本降低，較好地實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。同時(shí)對(duì)肋板倒角、啞鈴窩弧形半徑、鏟板厚度、肋板厚度四種影響因素的敏感度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)肋板厚度對(duì)整個(gè)中部槽性能影響的程度最大，鏟板厚度對(duì)中部槽影響其次，啞鈴窩弧形半徑對(duì)整個(gè)中部槽的影響最小，所以在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以忽略啞鈴窩弧形的影響，僅對(duì)肋板倒角、鏟板厚度、肋板厚度的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，既可以確保材料的使用性能，又可以提升優(yōu)化效率。優(yōu)化后材料質(zhì)量從726.71 kg，降低至722.47 kg，降低了0.5%，最大變形量降低了4.8%，有效提升了刮板輸送機(jī)中部槽的使用性能及使用壽命，設(shè)計(jì)較為成功。

圖3 優(yōu)化后中部槽受力云圖

3 結(jié)論

1）建立了中部槽數(shù)值模擬模型，對(duì)直線(xiàn)工況三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中部槽的啞鈴窩處及鏟煤板肋板根部位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2）斜切工況下的應(yīng)力集中位置與直線(xiàn)工況下的應(yīng)力集中位置幾乎沒(méi)差，同樣集中在肋板的根部及啞鈴窩處。

3）通過(guò)對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行優(yōu)化后應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力為211.2 MPa，質(zhì)量從726.71 kg，降低至722.47 kg，降低了0.5%，最大變形量降低了4.8%，優(yōu)化設(shè)計(jì)較成功。