離散煤料與轉運結構磨損關系的研究

秦 翥

中煤科工集團上海有限公司 上海 200030

轉運系統作為無人化煤礦綜采工作面的關鍵裝備，對截割后離散煤料的轉運軌跡進行有效約束，在安全、連續生產中起著至關重要的作用[1]。但在實際工程中，設計人員根據經驗及對煤料特性的熟悉程度，通過查找設計手冊完成轉運系統結構部件的選型與裝配，難以實現精益制造。據統計，轉運系統中約 80% 以上的停機用于轉運結構維護。因煤料高強度、長時間的沖擊與碰撞，使包括頭部擋板、底部襯板在內的轉運關鍵部件磨損較為嚴重，對其修繕、更換約占停機維護主因的 47.6%[2]。目前，國內外主要通過對頭部擋板、底部襯板定期檢修、周期性更換部件的方式，來降低因其磨損嚴重對轉運系統正常運轉造成的影響，但因缺少針對結構參數與離散煤料轉運軌跡間的關系研究[3]，難以有效解決因轉運系統結構設計不合理造成的磨損問題。

針對離散煤料在轉運過程中造成關鍵部件磨損的原因，筆者使用在區域時間內，單元煤料對轉運系統結構部件的沖擊作用力進行分析。由分析可知，轉運系統中的卸料輸送帶帶速、曲率半徑參數與煤料對頭部擋板、底部襯板的磨損具有關聯關系。采用 EDEM BulkSim 離散元仿真軟件對曲線型轉運結構進行數值模擬[4]，利用 Hertz-Mindlin with JKR、Archard Wear及 Standard Rolling Friction 模型，對不同卸料輸送帶帶速下，煤料對頭部擋板、底部襯板的磨損深度進行分析；對不同曲率半徑下，煤料對底部襯板的磨損過程進行仿真。通過研究，旨在為煤料轉運系統的結構優化提供理論依據與數據支撐，并有效降低轉運過程中，煤料對頭部擋板、底部襯板的磨損[5-6]。

1 轉運系統關鍵部件磨損原因分析

1.1 頭部擋板磨損原因分析

轉運過程中，煤料間、煤料與轉運結構部件間的磨損類型可分為黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損以及腐蝕磨損，通常會呈現一種磨損類型為主、其他磨損類型共生的現象[7-8]。根據實際工況，轉運結構中頭部擋板、底部襯板的磨損問題較為突出[9]，究其原因主要在于轉運煤料對頭部擋板及底部襯板的沖擊作用力過大、持續時間過長[10]。

單元煤料對頭部擋板的沖擊作用力如圖1 所示，根據動量守恒定律，相關力學模型可用式 (1) 表示：

圖1 單元煤料對頭部擋板的沖擊作用力意Fig.1 Impact force of unit coal material on head baffle

式中：Fn1為單元煤料對頭部擋板的法向沖擊作用力，kg·(m·s-2)；t1為單元煤料從卸料輸送帶到頭部擋板垂直距離為H1時所用的時間，s；Δm為單元煤料的質量，kg；v0為單元煤料進入轉運系統的初始速度，t/s；g為單元煤料的重力加速度，m/s2；θ1為該單元煤料所處位置與頭部擋板的傾角，(°)。

從式 (1) 可以看出，當轉運結構參數固定時，單元煤料進入轉運系統的初始速度與煤料對頭部擋板的法向沖擊作用力成正比；單元煤料進入轉運系統的初始速度與卸料輸送帶帶速相同，因此，卸料輸送帶帶速應與煤料對頭部擋板的法向沖擊作用力成正比，即卸料輸送帶帶速與頭部擋板的磨損程度成正比。

1.2 底部襯板磨損原因分析

曲線型轉運系統中，單元煤料對底部襯板的沖擊作用力如圖2 所示，相關力學模型可以用式 (2) 表示：

圖2 單元煤料對底部襯板的沖擊作用力Fig.2 Impact force of unit coal on bottom liner

式中：Fn2為單元煤料對底部襯板的法向沖擊作用力，kg·(m·s-2)；t2為單元煤料從卸料輸送帶到達底部襯板所用的時間，s；θ2為該單元煤料所處位置與底部襯板的傾角，(°)；r為轉運結構的曲率半徑，m。

從式 (2) 可以看出，當轉運結構參數固定時，單元煤料進入轉運系統的初始速度與煤料對底部襯板的法向沖擊作用力成正比；單元煤料進入轉運系統的初始速度與卸料輸送帶帶速相同，因此，卸料輸送帶帶速應與煤料對底部襯板的法向沖擊作用力成正比，即卸料輸送帶帶速與底部襯板的磨損程度成正比；而轉運結構的曲率半徑與煤料對底部襯板的沖擊作用力成反比，即轉運結構的曲率半徑與底部襯板的磨損程度成反比。

2 仿真模型建立

2.1 三維仿真模型

根據工程實例，利用三維建模軟件建立曲線型轉運系統的幾何模型，如圖3 所示。其中，上下滾筒直徑均為 1 040 mm，上下行輸送帶垂直距離為 8 800 mm，運量為 7 000 t/h，上下行輸送帶帶寬為 1 800 mm，煤料與頭部擋板的夾角為 12.5°，溜槽傾角為42.5°。根據實際工況，通過不同數量、粒徑、位置的小球填充模板，形成扁平型、柱狀型、八角型 3種類型的單元煤料顆粒，其中，50 mm 粒徑煤料占比35.1%，100 mm 粒徑煤料占比 40.7%，150 mm 粒徑煤料占比 24.2%。

圖3 曲線型轉運系統幾何模型Fig.3 Geometric model of curve-type transport system

2.2 仿真參數設置

仿真過程中忽略煤料顆粒間的黏性[11]，且不考慮卸料過程中氣壓梯度對煤料流動特性的影響，采用單一變量法，討論離散煤料在不同卸料輸送帶帶速、曲率半徑下對頭部擋板、底部襯板的磨損情況。構成待仿真曲線型轉運結構及輸送帶的材料分別為耐磨鋼、橡膠，轉運離散煤料為原煤[12-13]，仿真中設置煤、鋼、橡膠的本征參數如表1 所列。

表1 材料本征參數Tab.1 Material intrinsic parameters

仿真中的接觸關系包括：煤與煤、煤與鋼、煤與橡膠[14]，設置材料間接觸參數如表2 所列。

表2 材料間接觸參數Tab.2 Contact parameters between materials

離散元仿真軟件中的 Archard 模型常用于研究非連續形變磨損，可以較好地描述離散煤料在轉運過程中對轉運結構產生的磨損[15]。

3 仿真結果分析

3.1 不同卸料輸送帶帶速下頭部擋板的磨損分析

取轉運系統的曲率半徑為 5 000 mm，通過查找DTⅡ(A) 型帶式輸送機設計手冊 (第 2 版)，確定匹配仿真結構帶寬、運量的推薦卸料輸送帶帶速為 5.80 m/s，仿真中的重力加速度為 9.80 m/s2，仿真步長為 20%。仿真試驗取低于、高于 5.80 m/s 20%、40%的 5 組數據，即將卸料輸送帶帶速分別設置為 3.48、4.64、5.80、6.96、8.12 m/s，根據式 (3) 計算各帶速下對應的滾筒轉速。

式中：n為滾筒轉速，r/min；v卸為卸料輸送帶帶速，m/s；Dn為滾筒直徑，m。

利用離散元軟件完成仿真，導出相同數值比例尺下，不同卸料輸送帶帶速的頭部擋板磨損趨勢，如圖4 所示。

圖4 同比例尺不同帶速下頭部擋板磨損區域示意Fig.4 Diagram of wear area of head baffle under different belt speeds with same scale

從圖4 可以看出，當卸料輸送帶帶速較低時，因煤料與頭部擋板的接觸數量降低，頭部擋板的磨損區域面積較小、磨損深度數值較低；當卸料輸送帶帶速增加時，頭部擋板的磨損區域面積較大、磨損深度數值較高。在實際工況中，當卸料輸送帶帶速過高時，煤料卸運軌跡將拋射越過頭部擋板，造成頭部擋板邊側磨損問題加重，與仿真顯示情況一致。取各帶速在300 s 處頭部擋板的磨損深度，在專業統計軟件中進行分析，結果如圖5 所示。

圖5 不同帶速下頭部擋板磨損深度對比Fig.5 Comparison of wear depth of head baffle under different belt speeds

從圖5 可以看出，卸料輸送帶帶速與頭部擋板的磨損深度成正比。根據數值統計，當卸料輸送帶帶速在推薦帶速 5.8 m/s 的 20% 范圍內浮動時，頭部擋板磨損深度增幅比與卸料輸送帶帶速增幅比差值為3%。因此，在滿足運量的情況下，卸料輸送帶帶速若在不超過推薦帶速 20% 的范圍內浮動時，頭部擋板受磨損影響將增幅放緩；若卸料輸送帶帶速調整數值超過推薦帶速的 20% 時，應當調整頭部擋板的物理距離，確保其在轉運系統中控制煤流的轉運軌跡。

3.2 不同卸料輸送帶帶速下底部襯板的磨損分析

利用離散元軟件完成仿真，導出相同比例尺、不同卸料輸送帶帶速下的底部襯板磨損趨勢，如圖6 所示。

圖6 同比例尺不同帶速下底部襯板磨損區域示意Fig.6 Diagram of wear area of bottom liner under different belt speeds with same scale

從圖6 可以看出，不同卸料帶帶速對底部襯板的磨損深度影響較小，磨損區域隨卸料輸送帶帶速增加而增加，卸運煤料到達受料輸送帶的沖擊力也隨之增加，與實際工況反應一致。取各帶速在 300 s 處底部襯板的磨損深度，在專業統計軟件中進行分析，結果如圖7 所示。

圖7 不同帶速下底部襯板磨損深度對比Fig.7 Comparison of wear depth of bottom liner under different belt speeds

從圖7 可以看出，底部襯板的磨損深度隨卸料輸送帶帶速的增加而增加。根據數值統計，當卸料輸送帶帶速在推薦帶速 5.80 m/s 的 20% 范圍內浮動時，底部襯板磨損深度增幅比與卸料輸送帶帶速增幅比差值為 1%～5%。因此，在滿足運量的情況下，降低卸料輸送帶帶速，可以降低底部襯板的磨損情況；當卸料輸送帶帶速適當增加時，煤料對底部襯板的磨損影響程度較小。

3.3 不同曲率半徑下底部襯板的磨損分析

取卸料輸送帶帶速為推薦數值 5.80 m/s，分別設置轉運系統的曲率半徑為 3 000、4 000、5 000、6 000、7 000 mm。利用離散元軟件完成仿真，導出相同數值比例尺、不同曲率半徑下的底部襯板磨損趨勢，如圖8 所示。

圖8 同比例尺不同帶速下底部襯板磨損區域示意Fig.8 Diagram of wear area of bottom liner under different belt speeds with same scale

從圖8 可以看出，不同曲率半徑對底部襯板的磨損位置、面積均有較大影響，且磨損數值隨曲率半徑增加而降低，可見，當曲率半徑增加時，煤料到達受料輸送帶的沖擊作用力較低，與實際工況一致。取不同曲率半徑下，300 s 時底部襯板的磨損深度最大數值進行統計，在專業統計軟件中進行分析，結果如圖9所示。

圖9 不同曲率半徑下底部襯板磨損深度最大值對比Fig.9 Comparison of maximum wear depth of bottom liner under different curvature radius

從圖9 可以看出，底部襯板的磨損深度隨曲率半徑增加而減小。根據數值統計，當曲率半徑在 5 000 mm 的 20% 范圍內浮動時，底部襯板磨損深度增幅比與曲率半徑增幅比差值為 3%～27%。因此，在滿足工況的情況下，可適當增加轉運系統的曲率半徑，有利于延長底部襯板的使用壽命，但當曲率半徑參數超過一定數值時，煤料對底部襯板的磨損影響程度減弱。

4 結論

(1) 通過沖擊作用分析得出曲線型轉運系統中的卸料輸送帶帶速、曲率半徑與頭部擋板、底部襯板之間的磨損具有關聯關系，即頭部擋板、底部襯板的磨損隨卸料輸送帶帶速增加而增加，底部襯板的磨損隨曲率半徑的增加而減少。筆者通過建立三維模型，利用離散元仿真軟件對理論結果進行驗證。

(2) 對不同卸料輸送帶帶速下的頭部擋板、底部襯板進行磨損分析，驗證了推理結論的正確性。利用數據統計，得出當卸料輸送帶帶速在不超過推薦帶速20% 的范圍內浮動時，頭部擋板所受磨損程度影響將等比例增加；當卸料輸送帶帶速調整數值超過推薦帶速的 20% 時，應當調整頭部擋板的物理距離，確保其在轉運系統中控制煤流的轉運軌跡；當卸料輸送帶帶速增加時，煤料對底部襯板的磨損影響程度較小。

(3) 對相同卸料輸送帶帶速、不同曲率半徑下的底部襯板進行磨損分析，通過仿真趨勢圖可以得出，不同曲率半徑對底部襯板的磨損位置、磨損面積均有較大影響。利用數據統計得出，卸料輸送帶帶速與底部襯板的磨損深度成反比，若適當增加轉運系統的曲率半徑，有利于延長底部襯板的使用壽命，但當曲率半徑參數超過一定數值時，煤料對底部襯板的磨損影響程度減弱。