刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽斷裂原因分析

葛鑫

（山西焦煤汾西礦業(yè)高陽(yáng)煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

刮板槽作為刮板運(yùn)輸機(jī)的主要構(gòu)成組件，不僅是采煤機(jī)運(yùn)行的軌道，而且是物料運(yùn)輸?shù)闹饕d體，其運(yùn)行工況的良好與否對(duì)采煤機(jī)工作效率有著直接影響。特別是對(duì)于大采高作業(yè)面而言，由于回采設(shè)備均屬于重型設(shè)備，加之作業(yè)面存在傾角，其刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽不僅要有足夠的強(qiáng)度還要有一定的塑性和韌性，避免在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生中部槽斷裂，影響生產(chǎn)的持續(xù)開(kāi)展。而這就需要針對(duì)中部槽失效事故開(kāi)展分析，探究其失效原因，以便采取針對(duì)性措施，防止相似問(wèn)題發(fā)生。

1 工程概述

高陽(yáng)煤礦21103作業(yè)面為大采高作業(yè)面，工作面全長(zhǎng)300 m，煤層厚度介于6.1～7.2 m，采高設(shè)計(jì)6.6 m。作業(yè)面采煤機(jī)選用7LS7型采煤機(jī)，原煤運(yùn)輸采用3×1 000 kW型刮板輸送機(jī)，其中部槽寬1 200 mm。自工作面投產(chǎn)半年以來(lái)，刮板運(yùn)輸機(jī)共計(jì)過(guò)煤超過(guò)700萬(wàn)t，其中部槽先后損壞9節(jié)，為回采作業(yè)面生產(chǎn)秩序的有效組織和設(shè)備檢修帶來(lái)一定困難，影響了生產(chǎn)效益[1]。

2 中部槽斷裂分析

2.1 運(yùn)輸機(jī)整體平移的運(yùn)動(dòng)分析

刮板運(yùn)輸機(jī)作業(yè)過(guò)程中的水平移動(dòng)主要包括刮板運(yùn)輸機(jī)推移和拉架兩個(gè)過(guò)程，其中刮板運(yùn)輸機(jī)的推移概指一個(gè)采煤循環(huán)完成后，通過(guò)油缸的伸出，將刮板運(yùn)輸機(jī)推移至特定位置的過(guò)程，而后通過(guò)收回油缸并帶動(dòng)液壓支架向前移動(dòng)的過(guò)程便是拉架。圖1所示即為刮板運(yùn)輸機(jī)推移時(shí)的水平彎曲段示意圖，圖1中1號(hào)—10號(hào)中部槽為推移過(guò)程中的水平彎曲段，而采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)則向著與彎曲段相反的方向。

圖1 刮板運(yùn)輸機(jī)推移時(shí)水平彎曲段示意圖

2.2 中部槽的受力分析

1）刮板運(yùn)輸機(jī)推移時(shí)的中部槽受力分析。推移過(guò)程中液壓支架對(duì)中部槽水平段推力同其移動(dòng)方向相同，但彎曲段由于各節(jié)均存在一定的轉(zhuǎn)角，因此其受力狀況同自身的轉(zhuǎn)角度數(shù)存在緊密的關(guān)聯(lián)性。假設(shè)上圖 1 中 1 號(hào)—5 號(hào)中部槽轉(zhuǎn)角分別為 α1、α2、α3、α4、α5，其中 αi+1=αi+1°（i=1、2、3、4）。6 號(hào)—10 號(hào)中部槽形態(tài)同前半段的形態(tài)呈現(xiàn)出反對(duì)稱(chēng)性，則中部槽1號(hào)同10號(hào)，2號(hào)同9號(hào)受力狀況完全一致，并可以此類(lèi)推。圖2所示即為推移時(shí)刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽受力示意圖，其中F1和F2為中部槽所受阻力，F(xiàn)t為電機(jī)牽引力[2]。

圖2 推移作業(yè)時(shí)中部槽受力示意圖

2）拉架時(shí)的中部槽受力分析。拉架作業(yè)時(shí)，由于所有中部槽均處于相同直線(xiàn)上，因此其所受拉架力的作用效果是完全一致的，此時(shí)中部槽受力示意圖如下頁(yè)圖3所示，其中Fy為中部槽垂直受力。

3）采煤機(jī)通過(guò)時(shí)中部槽受力分析。當(dāng)采煤機(jī)位于中部槽上方切割煤壁時(shí)其受力示意圖如下頁(yè)圖4所示。其中，G代表采煤機(jī)與中部槽重力和，N代表所受地面支撐力，F(xiàn)q代表中部槽縱向受力。

一般而言，在刮板運(yùn)輸機(jī)的推移和拉架過(guò)程中，中部槽受力以水平作用力為主，其中由于推移過(guò)程中“S”段各中部槽存在不同轉(zhuǎn)角，因此中部槽凹凸區(qū)域在刮板運(yùn)輸機(jī)推移過(guò)程中的受力相較于拉架過(guò)程時(shí)更為集中。而采煤機(jī)經(jīng)過(guò)中部槽時(shí)，中部槽受力以縱向作用力為主，特別是采煤機(jī)支撐滑靴停留在凹凸區(qū)域鏟板時(shí)，凹凸區(qū)域的應(yīng)力集中更為顯著[3]。

圖3 拉架時(shí)中部槽受力示意圖

圖4 采煤機(jī)通過(guò)時(shí)中部槽受力示意圖

3 中部槽斷裂的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 受力實(shí)驗(yàn)分析

采煤機(jī)經(jīng)過(guò)中部槽區(qū)域時(shí)，鑒于回采作業(yè)面地板的起伏性，中部槽啞鈴座區(qū)域應(yīng)力集中顯著。如果設(shè)備設(shè)計(jì)不科學(xué)或設(shè)備材質(zhì)選擇不當(dāng)，便會(huì)導(dǎo)致啞鈴座區(qū)域材料發(fā)生屈服，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋，影響其使用性能。因此，借助有限元分析技術(shù)，構(gòu)建中部槽三維模型，針對(duì)其使用時(shí)的槽幫應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。在模擬時(shí)對(duì)槽幫凸頭鏟板外側(cè)與凹頭窩下表面均添加4 000 kN作用力，可發(fā)現(xiàn)中部槽凸頭和槽幫過(guò)度區(qū)域均存在開(kāi)裂趨勢(shì)，啞鈴銷(xiāo)座凹頭窩中部存在輕微開(kāi)裂。在此設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)中部槽受力破壞情況進(jìn)行分析[4]。

實(shí)驗(yàn)方案：為準(zhǔn)確模擬運(yùn)輸機(jī)推移時(shí)的中部槽受力狀況，取兩段中部槽依照推移作業(yè)時(shí)的實(shí)際情況固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)，同時(shí)在1節(jié)中部槽上布設(shè)液壓缸兩個(gè)用于模擬液壓支架在推移刮板運(yùn)輸機(jī)中的作用，設(shè)定實(shí)驗(yàn)壓力分別為1 600 kN、2 500 kN、3 000 kN和3 200 kN；單個(gè)液壓缸受力分別為800 kN、1250 kN、1500kN和 1 600 kN；啞鈴銷(xiāo)受力分別為 2 050 kN、3 170 kN、3 800 kN和 4 050 kN。在實(shí)驗(yàn)中，中部槽槽幫凹凸區(qū)域始終未出現(xiàn)任何變形，啞鈴銷(xiāo)在實(shí)驗(yàn)壓力為3 200 kN時(shí)出現(xiàn)1.2 mm的輕微變形，其他條件下均為發(fā)生變形。由此槽幫凹凸區(qū)域發(fā)生斷裂時(shí)不存在變形，為典型的脆性斷裂，發(fā)生斷裂的誘因可能是材質(zhì)硬度過(guò)高所致，需進(jìn)一步開(kāi)展材料元素測(cè)定[5-6]。

3.2 材質(zhì)元素測(cè)定實(shí)驗(yàn)

基于受力實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)壓力增加至4 300 kN時(shí)中部槽凸頭區(qū)域和槽幫過(guò)渡區(qū)域機(jī)啞鈴銷(xiāo)凹頭區(qū)域均存在開(kāi)裂趨勢(shì)。選取中部槽斷裂區(qū)域試樣開(kāi)展材質(zhì)元素測(cè)定，發(fā)現(xiàn)中部槽的Si、Cr、Mo和Mn等元素含量相對(duì)較大，容易發(fā)生脆斷。同時(shí)，針對(duì)中部槽性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示其屈服極限為740 MPa、抗拉極限為960 MPa、延伸率為1.2%、硬度為320～360，這表明該中部槽硬度超出硬度限定范圍（245～325），材質(zhì)硬度偏高，因此在使用中容易出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)由對(duì)大采高作業(yè)面刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽斷裂原因的分析，發(fā)現(xiàn)其制作材質(zhì)中Si、Cr、Mo和Mn等元素含量相對(duì)較大，導(dǎo)致中部槽硬度偏高，易在使用過(guò)程中出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。針對(duì)此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在中部槽的鍛造、焊接作業(yè)中針對(duì)性地改良制作工藝，通過(guò)對(duì)局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和對(duì)材質(zhì)的優(yōu)化配比，改良其性能，從根本上規(guī)避中部槽斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]許聯(lián)航，劉混舉.大采高工作面刮板輸送機(jī)中部槽斷裂原因分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（4）：126-128.

[2]劉品強(qiáng).刮板輸送機(jī)中部槽的強(qiáng)度分析及優(yōu)化[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]賈會(huì)會(huì).刮板輸送機(jī)中部槽的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].礦山機(jī)械，2010，38（5）：13-16.

[4]胡元哲.刮板輸送機(jī)中部槽磨損失效分析與抗磨措施[J].礦山機(jī)械，2009，37（1）：33-36.

[5]余斌.刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2014，35（12）：183-185.

[6]王新剛，梁愛(ài)國(guó).刮板輸送機(jī)中部槽與刮板鏈的磨損分析及對(duì)策[J].煤礦機(jī)械，2015，36（5）：109-111.