刮板输送机中部槽磨损特性数值模拟研究

2021-06-05白桂平

机械管理开发 2021年4期

白桂平

（山西焦煤西山煤电西曲矿，山西太原 030000）

引言

矿井输送机作为矿山运输设备，其工作效率及工作可靠性在一定程度上决定着煤矿的开采效率，所以输送机的工作性能优化成为了众多学者研究的内容[1-2]。此前聂仕义[3]对刮板外载荷对电机的影响进行研究，利用Mat Lab/Simulink软件建立了电机模型，给出了电机电流随负载值以及电压频率变化的规律，并通过现场应用，给出了刮板输送机在动态载荷下的调节方案。王纪东[4]对带式输送机多点驱动的控制与监测通过分析驱动滚筒的驱动力给出了电机的额定功率、数量及电机安装位置，并通过对不同驱动方式下驱动效率的研究对比，设计了多点驱动监测系统，在一定程度上实现了带式输送机多点驱动，从而提升了带式输送机在工作面效率。

1 磨损理论分析

一般来说刮板输送机的中部槽磨损可以分为宏观磨损、微观摩擦及表面接触，对刮板输送机中部槽磨损进行研究是为了获得不同材料下中部槽不同工况磨损机理，进而为中部槽减磨耐磨提供一定参考。

当与不平整面进行接触时，磨损均不可避免。为了研究磨损规律，对磨损曲线进行研究，常见的磨损曲线如图1所示。

可以看出磨损曲线一般分为三个阶段，分别为：跑合阶段（Ⅰ）、稳定磨损阶段（Ⅱ）及剧烈磨损阶段（Ⅲ）。根据工况的不同刮板输送机中部槽其磨损曲线存在多样性，可以为图1中的任意一种。

图1 磨损曲线

磨损是指接触表面发生相对的运动而产生相对的应力摩擦，是接触表面逐渐出现脱落磨损及塑性变形的现象。由于矿山工况环境较差，使得机械部件磨损在任何部位均有发生。刮板输送机由机头驱动轮带动链条，刮板在中部槽运行，在工作中承受煤料、液压支架等的拉压作用、冲击载荷及循环应力等，导致中部槽受磨损形式不同，多种磨损在一定工况下转化。常见的中部槽磨损机制主要有磨粒磨损、疲劳磨损、黏着磨损及腐蚀磨损。

发生磨损的接触面由高低不平的颗粒组成，而发生实际接触的仅为凸体部分，所以由于真实表面接触面较小，使得接触压力较不均匀，凸体接触部分受到极大的载荷，产生弹塑性变形。为了对磨损情况进行深入研究，本文利用数值模拟软件对真实接触面受力进行一定的分析，从微观的角度研究中部槽接触表面发生磨损的形式。

2 数值模拟研究

首先选定ABAQUS数值模拟软件进行中部槽磨损研究，首先建立不平整接触面即粗糙面，同时建立与粗糙面相同宽度的厚板，将粗糙表面接触问题简化为光滑表面与粗糙表面接触模型，将建立的粗糙表面及光滑表面进行装配，完成粗糙与光滑表面接触的滑动模型。

完成模型设定后对材料属性进行设置，中部槽粗糙面及光滑面材料分为16Mn、40Cr。两种材料的力学参数分别为：弹性模量，212 GPa、200 GPa；泊松比为0.31和0.25，屈服强度为345 MPa和418 MPa；密度为7.87 g/cm3、7.85 g/cm3。完成模型参数设定后对模型的网格进行划分，网格划分时遵循接触面划分细、非接触面划分略粗的原则，保证计算时间及计算精度符合要求。对模型边界条件进行设置，完成设置后对模型进行数值模拟计算。

首先将实际接触面积（Ar）与理论接触面积（An）之比（Ar/An）作为一个变量，首先对实际接触面积与理论接触面积之比随加载时间的变化趋势进行研究，模拟结果如图2所示。

根据图2可以看出，随着加载时间的不断增加，中部槽接触面积之比呈现出先增大后减小的趋势，由于理论接触面的面积是一个恒定的值，所以接触面之比逐步增大是指实际接触面积逐步增大。当加载时间在25μs内时，此时的中部槽接触面积之比达到最大值为0.052;当加载时间超过25μs后，此时的接触面积之比略微降低，这是由于接触面积受到加载应力的增大逐步增大，当加载完成后，此时的接触应力会有一定的降低，使得接触面积之比降低。

同时对不同加载速度及不同加载强度下的接触面积之比进行一定的研究，模拟结果如图3所示。

图2 接触面积之比随加载时间变化趋势图

如图3-1所示，不同加载速度下，接触面积之比随时间变化曲线均较为平稳，图中的直线代表常数拟合线。整体看来，在加载开始时，接触面积之比都迅速升高，然后出现一定的降低。出现这一现象的原因为加载速度并非平稳，所以接触面积之比会出现一定的波动。随着滑动时间的增加，接触面积之比的波动趋于稳定。对比三种加载速度下的曲线可以看出，随着滑动速度的增大，接触面积之比无明显变化，但加载的稳定减小，波动增大。而从图3-2可以看出，随着加载强度的不断加大，接触面积之比呈现出增大的趋势，这是由于随着加载应力的增大，使得加载接触的啮合度增大，接触面积增大。所以可以看出影响真实接触面积的主要因素为外部载荷而不是加载速度。

图3 不同加载参数下接触面积之比变化曲线

对最大接触应力随时间的变化趋势进行分析，模拟结果如下页图4所示。可以看出，在加载的初期接触压力快速攀升，此时的外部载荷通过少数凸体传递。随着加载时间的不断增加，凸体的距离不断缩进，接触的凸体数量出现明显增加，平均到每个粗糙凸体上的压力呈现降低的趋势，曲线有所下降。在后续加载中，由于凸体增加造成的应力降低量低于加载提升的应力量，所以曲线进一步上升。当加载完成后发生相对运动，此时由于摩擦阻力和摩擦热效应导致最大接触压力出现不断波动的情况。