刮板输送机中部槽优化设计研究

2022-01-27刘波

机械管理开发 2021年12期

刘波

（山西长治经坊庄子河煤业有限公司，山西长治 046000）

引言

我国煤炭资源储量丰富，产煤量位居世界第一。统计表明，世界1/3 的煤炭资源产于中国，随着能源的转型，清洁能源的发展日益加速，但由于我国国民对能源需求量较大，且我国人口较多，使得清洁能源对于整体的能源需求可谓杯水车薪，所以煤炭资源仍是我国主要的能源消耗。矿山机械作为我国煤炭资源开采重要的机械设备之一，其性能的稳定直接确定着矿井的生产效率。刮板输送机作为矿井主要的运输设备，其主要承载着煤炭资源运输的作用，但在刮板输送机运输过程中，由于矿井工作环境较为恶劣，使得刮板输送机在运行过程中极易发生损坏，中部槽作为刮板输送机的核心部件[1-2]，其受到恶劣工况的影响极易使关键部件发生故障，所以提升刮板输送机中部槽的可靠性对于刮板输送机的高效运行十分重要[3-4]。本文以SGZ100/3×1000 型刮板输送机为研究对象，利用数值模拟软件对刮板输送机中部槽进行优化研究，为矿井刮板输送机优化设计提供一定的参考与借鉴。

1 数值模拟分析

综采工作面的设备主要有刮板输送机、液压支架、采煤机等，其共同完成工作面落煤、装煤、运煤等工作。刮板输送机是通过传动装置带动刮板链从而使得煤炭沿着机头机尾电机运输至装置机上，所以其不但承载运输的功能，同时是采煤机行走的轨迹。刮板输送机的中部槽根据刮板输送机的类型不同也存在一定的不同，传统的中部槽结构可分为轧制槽帮钢焊接中部槽、铸造槽帮焊接中部槽、开底式和封底板式中部槽及整体铸造中部槽。根据不同类型中部槽的特点，本文结合实际情况选定铸造槽帮焊接，封底式中部槽类型，对中部槽进行优化研究。

为了研究刮板输送机中部槽的受力特征，从而给出刮板输送机中部槽易发生破坏的位置，首先进行模型的建立。在进行模型建立时，由于中部槽结构较为复杂，所以在进行模型建立时忽略模型的细小结构，将模型的倒角、螺栓等进行简化，在Pro/E 软件中进行模型的建立，模型的尺寸设定为中部槽槽长1.75 m，模型分为五节，将建立好的模型导入ANSYS数值模拟软件，导入模拟软件后对模型进行网格划分。网格划分对于模拟的计算十分重要，其在一定程度上影响着计算的精度，所以为了保证一定的计算精度，尽量减少计算的时间是十分重要的。因此本文采用8 节4 点网格单元进行划分，划分完成后共计316 872 个节点和195 847 个单元。中部槽网格划分如图1 所示。

图1 中部槽网格划分

完成模型网格划分后对模型的约束条件及物理参数进行设定，分别对不同工作状态下的模型约束进行设定，同时对中部槽的材料特性进行设定，具体的材料特性见表1。

表1 材料特性参照

完成模型的材料选定及约束设定后，对模型进行模拟研究，分别对直行割煤、斜进刀割煤、推溜工作及拉架工作状态下中部槽的受力情形进行分析，给出四种工况下的中部槽应力分布云图，如图2所示。

图2 不同工况下中部槽应力（MPa）图

由图2-1 可知，直行割煤工况下最大的应力值为399.9 MPa，此时的最大应力值出现在中部槽铲板槽帮的凸出端，此时的应力最大值小于材料的屈服极限，所以在直行割煤状态下中部槽的损坏较小。由图2-2 可知，刮板输送机为斜进刀状态时的中部槽各部件应力值均小于材料的屈服强度，最大的材料应力值为356.1 MPa，考虑到斜进刀工作时由于进刀方式的不同，使得轨座位置极易出现开焊的情况，所以应当加强轨座的焊接。由图2-3 可知，当刮板输送机为推溜工况时，此时在410 t 拉力作用下，在槽帮的哑铃窝位置会有一定的压溃现象出现，此时中部槽会发生一定的塑性变形，但整体不会出现断裂的情况。由图2-4 可知，当刮板输送机为拉架工况时，此时在铲板的槽帮端头会出现应力集中，此时的最大应力值为519.7 MPa（工况实际值），最大应力值低于材料的屈服强度，所以不会发生较大的变形。

2 中部槽优化设计

根据对不同工况下刮板输送机中部槽的结构进行模拟研究，确定了槽帮哑铃窝处为模型易发生破坏的位置，所以对中部槽的槽帮哑铃窝进行优化设计。中部槽槽帮主要由中板、底板、挡板槽帮和铲板槽帮等组成，所以对中部槽进行优化也就是对中部槽的结构进行优化设计。根据先前的研究对槽帮的哑铃窝进行补强，将槽帮进行加宽，提升其可靠性。完成优化后对其进行数值模拟分析，确定优化设计的可行性。

由图3 可知，当结构未经过优化时，此时的应力分布最大值为1 470 MPa，而优化后的应力分布最大值为1 461.5 MPa，从应力分布云图可以看出，经过优化后应力分布较优化前有了一些改善，在相同位置的应力值低于优化前，中部槽的结构得到了一定的改善，同时对比优化前后应力分布云图可以看出，在槽帮外侧的应力分布较为均匀，且经过优化后应力集中现象有了一些改善（深橘色区域面积减小），所以优化后的刮板输送机中部槽受力情况得到了有效的改善，所以在进行中部槽设计时应当对哑铃窝进行调整，增强结构的强度，在不改变生产工艺的前提下有效地提升刮板输送机中部槽的可靠性，为矿井高效开采打下基础。