選煤機(jī)排料系統(tǒng)中刮板結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

趙健翔

（霍州煤電團(tuán)柏礦白龍洗煤廠， 山西 霍州 031412）

引言

目前，風(fēng)力選煤和空氣重介質(zhì)選煤是干法選煤的兩大技術(shù)途徑?？諝庵亟橘|(zhì)選煤設(shè)備通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)得到壓縮空氣，將壓縮空氣通過(guò)布風(fēng)板進(jìn)入流化床，入選煤由選煤機(jī)上方入料口進(jìn)入流化床，物料在流化床中，比重小的精煤上浮，比重大的矸石下沉，最后由刮板輸送機(jī)分別排出機(jī)外[1-2]。選煤機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空氣重介流化床選煤機(jī)示意圖

由圖1可以看出，鼓風(fēng)機(jī)和刮板輸送機(jī)是干法選煤機(jī)的兩大主要工作部件。其中刮板輸送機(jī)尤其是其主要受力刮板是干法選煤機(jī)中最易損壞的零部件。其主要損毀方式包括刮板與精煤或矸石的磨粒磨損、刮板在大載荷運(yùn)送散料下的塑性變形及刮板受到大塊矸石大沖擊載荷下的脆性斷裂三種情況。刮板的損壞會(huì)降低刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率，甚至將刮板輸送機(jī)卡死，輕則導(dǎo)致洗煤機(jī)的停工影響生產(chǎn)，重則發(fā)生安全生產(chǎn)事故。因此，通過(guò)先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法對(duì)刮板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的。

1 刮板的受力分析

對(duì)于刮板的受力分析，我們假設(shè)一種惡劣的工況，當(dāng)刮板受到矸石等硬物卡住后停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)刮板兩側(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致刮板與硬物之間有很強(qiáng)的相互作用，直至刮板將硬物破壞，刮板繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在整個(gè)過(guò)程中刮板受到硬物的剪切力與傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)刮板的彎曲應(yīng)力。為計(jì)算方便，將硬物假設(shè)為金屬桿。此假設(shè)中包含硬物參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。

下面對(duì)刮板剪斷Q235代表的硬物的過(guò)程進(jìn)行分析，其受力如圖2所示。

表1 硬物參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)表

圖2 刮板受力示意圖

圖中：v為刮板鏈運(yùn)行速度，x和y為硬物移動(dòng)的橫向和縱向，θ為刮板安裝的傾斜角度，L為刮板的長(zhǎng)度，G為刮板自身重力，F(xiàn)1為傳動(dòng)系統(tǒng)拉力，F(xiàn)2為散狀物料載荷的作用力，F(xiàn)3傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)刮板的壓力，F(xiàn)4為硬物對(duì)刮板的作用力，F(xiàn)5為槽底對(duì)刮板的支撐力，F(xiàn)6為滑軌對(duì)刮板的壓力，F(xiàn)7及F8為刮板受到的摩擦力。

1）刮板對(duì)散裝物料的承載力與物料自重及摩檫力關(guān)系式：

式中：μ1為物料與槽底的靜摩擦系數(shù)，取0.1；G1為散狀物料的重力，取1 960 N；θ為刮板輸送機(jī)傾角，取22°30′。

2）傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)刮板的壓力關(guān)系式：

式中：L為刮板長(zhǎng)度，取800 mm；q0為單位長(zhǎng)度傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量，取47.5 kg/m。

3）金屬桿受到剪切力關(guān)系式：

式中：r為金屬桿截面的半徑，S為金屬桿的截面面積，σc為斷裂強(qiáng)度。

圖2中的其他各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)也可通過(guò)受力簡(jiǎn)圖得到計(jì)算公式并予以計(jì)算。

2 刮板結(jié)構(gòu)的分析優(yōu)化

刮板主要的損壞方式包括磨損、彎曲和沖擊斷裂，我們僅對(duì)刮板受到大剪切應(yīng)力導(dǎo)致折彎或斷裂進(jìn)行仿真分析。刮板是一個(gè)變截面零件實(shí)體單元，在某些區(qū)域，當(dāng)最大應(yīng)力超過(guò)材料的許用應(yīng)力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)折彎甚至斷裂，影響刮板輸送部件及洗煤機(jī)整機(jī)的壽命。

下面利用UG10.0進(jìn)行刮板建模，并用NX Nastran靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行仿真分析尋找現(xiàn)有刮板中的力學(xué)薄弱區(qū)域，并對(duì)其加強(qiáng)后進(jìn)一步仿真，得到比強(qiáng)度較高的刮板結(jié)構(gòu)形式。

2.1 刮板模型的建立

利用NX10.0對(duì)刮板主體及兩側(cè)Z型蓋板進(jìn)行建模，并從零件庫(kù)調(diào)用螺栓螺母組件，建立刮板組件整體模型如圖3所示。

圖3 刮板組件模型

2.2 有限元模型建立

對(duì)上述刮板組件進(jìn)行必要的理想化，去除無(wú)用倒角及孔洞，緊固件部分用RBE2單元進(jìn)行1D單元連接，對(duì)刮板及螺釘進(jìn)行材料選擇，并賦于實(shí)體上。刮板的理想化模型如圖4所示。

對(duì)理想化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接關(guān)系到靜力學(xué)分析的準(zhǔn)確性，由刮板模型及力學(xué)普遍性規(guī)律可知，刮板薄弱處可能位于螺栓緊固件所處位置附近，因此，對(duì)該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化剖分，其余位置進(jìn)行大網(wǎng)格剖分以保證計(jì)算速度。得到網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖4 刮板理想化模型

圖5 網(wǎng)格劃分模型

選擇卡阻區(qū)域?yàn)榧s束面，在全局WCS坐標(biāo)系下，選擇z方向?yàn)楣潭?，其余x、y、rx、ry及rz均為自由；因刮板只能在半封閉的矩形溜槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，約束面選擇溜槽與刮板組件接觸的底面區(qū)域，在全局WCS坐標(biāo)系下，y軸平移固定，其他為自由；選擇刮板主體的兩端面為約束面，在全局WCS坐標(biāo)系下，x軸平移固定，其他為自由[3]。選擇根據(jù)第一節(jié)中計(jì)算所得刮板載荷環(huán)境參數(shù)進(jìn)行加載。

2.3 刮板組件仿真結(jié)果分析

采用NX Nastran求解器中的SOL101線性靜態(tài)-全局約束方案進(jìn)行求解。結(jié)果選項(xiàng)中對(duì)全局RMS應(yīng)力及形變進(jìn)行輸出。得到結(jié)果云圖，如圖6、圖7所示。

圖6 刮板組件應(yīng)力（MPa）云圖

圖7 刮板組件形變（mm）云圖

從圖6及其運(yùn)行狀態(tài)可知：刮板的總質(zhì)量為40 kg；最大應(yīng)力出現(xiàn)在緊固件周?chē)?，?yīng)力值為182.3 MPa，符合初期預(yù)期位置，根據(jù)所選材料力學(xué)參數(shù)及設(shè)計(jì)要求其安全系數(shù)為4，可以求得緊固件周?chē)畲髴?yīng)力大于許用應(yīng)力，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，其余位置均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此需對(duì)Z形蓋板及其緊固件周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)。

3 刮板組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果及其分析可知，需對(duì)Z形蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)刮板使用環(huán)境及受力情況，建立刮板模型，如圖8所示。

圖8 新版刮板結(jié)構(gòu)示意圖

采取與第二節(jié)中刮板相同的材料及力學(xué)載荷進(jìn)行有限元模型建立，得到其約束加載模型。

同樣采用NX Nastran求解器中的SOL101線性靜態(tài)-全局約束方案進(jìn)行求解。結(jié)果選項(xiàng)中對(duì)全局RMS應(yīng)力及形變進(jìn)行輸出。得到結(jié)果云圖如圖9、圖10所示。

由上述分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的刮板組件總質(zhì)量略低于優(yōu)化前，為33 kg；最大應(yīng)力位于傳動(dòng)系統(tǒng)和蓋板連接處，為74.8 MPa，滿(mǎn)足所選材料的許用應(yīng)力。因此，優(yōu)化后的刮板組件結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足選煤機(jī)刮板輸送組件使用條件。

圖9 新版刮板組件應(yīng)力（MPa）云圖

圖10 新版刮板組件形變（mm）云圖

4 結(jié)論

1）選煤機(jī)排料系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，尤其是刮板處于各種載荷共同作用下，因此對(duì)刮板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使其滿(mǎn)足復(fù)雜工況使用條件尤為重要。

2）通過(guò)兩種刮板結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析，得出對(duì)刮板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。