刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)摩擦接觸及優(yōu)化改進研究

焦彥波

（潞安化工集團常村煤礦，山西 晉城 046000）

1 工程概況

潞安化工集團常村煤礦采用立井開采、水平盤區(qū)布置，分區(qū)通風方式，主采3#煤層，煤層厚度為3.18～8.15 m，平均厚度6.02 m，采煤工藝為綜采放頂煤開采，煤種為優(yōu)質(zhì)貧煤，核定生產(chǎn)能力為800 萬t/a。井下綜采工作面主要采用西北天地奔牛SGZ1000/2000 型刮板輸送機進行煤炭物料的輸送作業(yè)。該刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)與原煤的接觸與摩擦較為頻繁，中部槽結(jié)構(gòu)磨損較為嚴重，影響了中部槽結(jié)構(gòu)及刮板輸送機的使用壽命。針采用ANSYS 軟件對中部槽摩擦接觸情況進行分析，針對性地對中部槽中板結(jié)構(gòu)進行凹坑加工處理改造并確定相應(yīng)參數(shù)[1-6]，提高設(shè)備的使用性能與使用壽命。

2 中部槽結(jié)構(gòu)摩擦模型的建立與分析

2.1 刮板輸送機及中部槽結(jié)構(gòu)的分析

SGZ1000/2000型刮板輸送機主要由機頭、機尾、動力部、過渡段、中部槽、電纜槽、刮板鏈、推移梁、機頭機尾擋板、機尾活擋板、活鏟板等部件組成。

中部槽是輸送機的主要組成部分，尺寸為1615 mm×1717 mm×560 mm。中部槽采用鑄焊封底結(jié)構(gòu)，鏟板槽幫、擋板槽幫通過中板和底板焊接為一體，中部槽之間采用啞鈴銷聯(lián)接，擋板槽幫上鑄有推移耳。

2.2 三維模型簡化

以SGZ1000/2000 型刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)為例，采用UG 軟件建立中部槽的三維模型。中部槽特征尺寸如圖1，尺寸規(guī)格為1615 mm×1717 mm×560 mm。

圖1 中部槽特征尺寸示意圖（mm）

中部槽中的倒角、倒圓、小孔等結(jié)構(gòu)對摩擦磨損行為影響不大，在三維建模時采用忽略處理。

2.3 有限元模型建立

利用UG 軟件建好三維模型后，導入到ANSYS進行有限元的分析。在ANSYS 軟件中對中部槽結(jié)構(gòu)和煤料進行材料屬性的定義。中部槽結(jié)構(gòu)采用16 Mn2材料，密度7800 kg/m3，彈性模量2.13×1012Pa，泊松比0.31；煤料密度1600 kg/m3，彈性模量1.99×109Pa，泊松比0.28。如圖2 所示，采用方塊代表煤料。采用SOLID 186 網(wǎng)格形式進行網(wǎng)絡(luò)劃分，共得到網(wǎng)格數(shù)16 875 個。

圖2 中部槽結(jié)構(gòu)有限元模型

定義中部槽結(jié)構(gòu)與煤料之間的摩擦系數(shù)為0.23，法向剛度因子為0.1，計算時要考慮到兩者的自重。

2.4 中部槽結(jié)構(gòu)摩擦接觸結(jié)果分析

利用ANSYS 軟件對建好模型中部槽中板結(jié)構(gòu)與煤料的接觸應(yīng)力進行分析，結(jié)果如圖3。

圖3 中部槽中板結(jié)構(gòu)與煤料之間的接觸應(yīng)力

3 中部槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進及實踐效果

3.1 中部槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進

3.1.1 優(yōu)化改進方案

經(jīng)技術(shù)調(diào)研，將中部槽中板結(jié)構(gòu)表面進行凹坑加工處理，可以有效地降低中板在工作時與煤料的摩擦磨損。原因分析：（1）中板凹坑加工中能促進表面材料硬化現(xiàn)象，提高凹坑區(qū)域材料表面的硬度，連成片的凹坑能有效提高中板表面的耐磨性；（2）中板表面在凹坑加工過程中會導致相應(yīng)區(qū)域表面金屬材料凸起，成片凸起可在一起程度上架空在中板運輸?shù)拿毫?，煤料與材料表面接觸面減小，有效降低摩擦磨損；（3）凹坑部位充填有小顆粒磨屑，煤料運輸中可規(guī)避中板的部分磨損問題。

3.1.2 最佳優(yōu)化改造參數(shù)

基于以上分析，對SGZ1000/2000 型刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)進行表面的凹坑加工處理優(yōu)化改造。中板表面凹坑的凹坑直徑、凹坑深度、凹坑的縱向和橫向間距三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對其磨損行為較為重要，可取三個參數(shù)不同的數(shù)值進行正交試驗，并進行ANSYS軟件建模分析，進而確定最佳優(yōu)化改造參數(shù)。

凹坑直徑參數(shù)設(shè)定3 mm、4 mm、5 mm，凹坑深度參數(shù)設(shè)定3 mm、4 mm、5 mm，凹坑縱向和橫向間距參數(shù)設(shè)定40 mm、50 mm、60 mm。根據(jù)以上參數(shù)建立9 種不同的模型，進行ANSYS 軟件建模分析。中板結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分析結(jié)果見表1。

表1 中板結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分析表

從圖中數(shù)據(jù)可知，中板結(jié)構(gòu)最大接觸應(yīng)力值達到154 704 Pa，平均接觸應(yīng)力也高達2 251.7 Pa，因此可認定該設(shè)備中部槽中板接觸應(yīng)力高，摩擦磨損嚴重。從理論上確定了中部槽中板結(jié)構(gòu)的摩擦磨損情況，因此對其進行優(yōu)化改進，提高其摩擦磨損能力、延長使用壽命是非常有必要的。

從表1 數(shù)據(jù)可知，當凹坑直徑、凹坑深度、凹坑橫向距離、凹坑縱向距離分別為3 mm、3 mm、40 mm、50 mm時，中板結(jié)構(gòu)最大接觸應(yīng)力處于最小，數(shù)值為106 482 Pa，此時的平均接觸應(yīng)力為1 154.7 MPa。對比優(yōu)化改進之前的數(shù)據(jù)，中板結(jié)構(gòu)最大接觸應(yīng)力從154 704 Pa 降低至106 482 Pa，降低幅度達31.17%；平均接觸應(yīng)力從2 251.7 MPa 降低至1 154.7 MPa，降低幅度達48.71%。這一數(shù)據(jù)有力地說明了改造后的中部槽中板結(jié)構(gòu)的摩擦力大幅度降低了，能減緩結(jié)構(gòu)的摩擦磨損。

3.2 實踐應(yīng)用及效果分析

對中部槽中板結(jié)構(gòu)按上述方案進行優(yōu)化改造后，安裝在SGZ1000/2000 型刮板輸送機后投入到常村煤礦的生產(chǎn)實踐中。從改進前后磨損現(xiàn)象統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，改造后中部槽中板結(jié)構(gòu)的磨損率從之前的0.037 4 mm/萬t 降低至0.015 9 mm/萬t；從2021 年8 月至今，改進后的中部槽中板結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)失效情況，使用壽命大幅度提高。因此，對SGZ1000/2000 型刮板輸送機中部槽結(jié)構(gòu)進行表面的凹坑加工處理優(yōu)化改造方案合理、可行，能有效提高中部槽結(jié)構(gòu)的耐磨損性能，能有效提高設(shè)備的使用壽命，安全經(jīng)濟效益顯著。