葛鑫

（山西焦煤汾西矿业高阳煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

刮板槽作为刮板运输机的主要构成组件，不仅是采煤机运行的轨道，而且是物料运输的主要载体，其运行工况的良好与否对采煤机工作效率有着直接影响。特别是对于大采高作业面而言，由于回采设备均属于重型设备，加之作业面存在倾角，其刮板运输机中部槽不仅要有足够的强度还要有一定的塑性和韧性，避免在作业过程中发生中部槽断裂，影响生产的持续开展。而这就需要针对中部槽失效事故开展分析，探究其失效原因，以便采取针对性措施，防止相似问题发生。

1 工程概述

高阳煤矿21103作业面为大采高作业面，工作面全长300 m，煤层厚度介于6.1～7.2 m，采高设计6.6 m。作业面采煤机选用7LS7型采煤机，原煤运输采用3×1 000 kW型刮板输送机，其中部槽宽1 200 mm。自工作面投产半年以来，刮板运输机共计过煤超过700万t，其中部槽先后损坏9节，为回采作业面生产秩序的有效组织和设备检修带来一定困难，影响了生产效益[1]。

2 中部槽断裂分析

2.1 运输机整体平移的运动分析

刮板运输机作业过程中的水平移动主要包括刮板运输机推移和拉架两个过程，其中刮板运输机的推移概指一个采煤循环完成后，通过油缸的伸出，将刮板运输机推移至特定位置的过程，而后通过收回油缸并带动液压支架向前移动的过程便是拉架。图1所示即为刮板运输机推移时的水平弯曲段示意图，图1中1号—10号中部槽为推移过程中的水平弯曲段，而采煤机运动则向着与弯曲段相反的方向。

图1 刮板运输机推移时水平弯曲段示意图

2.2 中部槽的受力分析

1）刮板运输机推移时的中部槽受力分析。推移过程中液压支架对中部槽水平段推力同其移动方向相同，但弯曲段由于各节均存在一定的转角，因此其受力状况同自身的转角度数存在紧密的关联性。假设上图 1 中 1 号—5 号中部槽转角分别为 α1、α2、α3、α4、α5，其中 αi+1=αi+1°（i=1、2、3、4）。6 号—10 号中部槽形态同前半段的形态呈现出反对称性，则中部槽1号同10号，2号同9号受力状况完全一致，并可以此类推。图2所示即为推移时刮板运输机中部槽受力示意图，其中F1和F2为中部槽所受阻力，Ft为电机牵引力[2]。

图2 推移作业时中部槽受力示意图

2）拉架时的中部槽受力分析。拉架作业时，由于所有中部槽均处于相同直线上，因此其所受拉架力的作用效果是完全一致的，此时中部槽受力示意图如下页图3所示，其中Fy为中部槽垂直受力。

3）采煤机通过时中部槽受力分析。当采煤机位于中部槽上方切割煤壁时其受力示意图如下页图4所示。其中，G代表采煤机与中部槽重力和，N代表所受地面支撑力，Fq代表中部槽纵向受力。

一般而言，在刮板运输机的推移和拉架过程中，中部槽受力以水平作用力为主，其中由于推移过程中“S”段各中部槽存在不同转角，因此中部槽凹凸区域在刮板运输机推移过程中的受力相较于拉架过程时更为集中。而采煤机经过中部槽时，中部槽受力以纵向作用力为主，特别是采煤机支撑滑靴停留在凹凸区域铲板时，凹凸区域的应力集中更为显著[3]。

图3 拉架时中部槽受力示意图

图4 采煤机通过时中部槽受力示意图

3 中部槽断裂的实验分析

3.1 受力实验分析

采煤机经过中部槽区域时，鉴于回采作业面地板的起伏性，中部槽哑铃座区域应力集中显著。如果设备设计不科学或设备材质选择不当，便会导致哑铃座区域材料发生屈服，进而产生裂纹，影响其使用性能。因此，借助有限元分析技术，构建中部槽三维模型，针对其使用时的槽帮应力状态进行分析。在模拟时对槽帮凸头铲板外侧与凹头窝下表面均添加4 000 kN作用力，可发现中部槽凸头和槽帮过度区域均存在开裂趋势，哑铃销座凹头窝中部存在轻微开裂。在此设计一个实验方案，对中部槽受力破坏情况进行分析[4]。

实验方案：为准确模拟运输机推移时的中部槽受力状况，取两段中部槽依照推移作业时的实际情况固定于实验台，同时在1节中部槽上布设液压缸两个用于模拟液压支架在推移刮板运输机中的作用，设定实验压力分别为1 600 kN、2 500 kN、3 000 kN和3 200 kN；单个液压缸受力分别为800 kN、1250 kN、1500kN和 1 600 kN；哑铃销受力分别为 2 050 kN、3 170 kN、3 800 kN和 4 050 kN。在实验中，中部槽槽帮凹凸区域始终未出现任何变形，哑铃销在实验压力为3 200 kN时出现1.2 mm的轻微变形，其他条件下均为发生变形。由此槽帮凹凸区域发生断裂时不存在变形，为典型的脆性断裂，发生断裂的诱因可能是材质硬度过高所致，需进一步开展材料元素测定[5-6]。

3.2 材质元素测定实验

基于受力实验可知，当压力增加至4 300 kN时中部槽凸头区域和槽帮过渡区域机哑铃销凹头区域均存在开裂趋势。选取中部槽断裂区域试样开展材质元素测定，发现中部槽的Si、Cr、Mo和Mn等元素含量相对较大，容易发生脆断。同时，针对中部槽性能进行检测，结果显示其屈服极限为740 MPa、抗拉极限为960 MPa、延伸率为1.2%、硬度为320～360，这表明该中部槽硬度超出硬度限定范围（245～325），材质硬度偏高，因此在使用中容易出现疲劳断裂现象。

4 结语

经由对大采高作业面刮板运输机中部槽断裂原因的分析，发现其制作材质中Si、Cr、Mo和Mn等元素含量相对较大，导致中部槽硬度偏高，易在使用过程中出现疲劳断裂现象。针对此，技术人员应当总结经验，在中部槽的锻造、焊接作业中针对性地改良制作工艺，通过对局部结构的优化调整和对材质的优化配比，改良其性能，从根本上规避中部槽断裂现象的发生。

参考文献

[1]许联航，刘混举.大采高工作面刮板输送机中部槽断裂原因分析[J].煤炭科学技术，2014，42（4）：126-128.

[2]刘品强.刮板输送机中部槽的强度分析及优化[D].天津：河北工业大学，2007.

[3]贾会会.刮板输送机中部槽的研究现状及发展趋势[J].矿山机械，2010，38（5）：13-16.

[4]胡元哲.刮板输送机中部槽磨损失效分析与抗磨措施[J].矿山机械，2009，37（1）：33-36.

[5]余斌.刮板输送机中部槽结构分析与优化设计[J].煤矿机械，2014，35（12）：183-185.

[6]王新刚，梁爱国.刮板输送机中部槽与刮板链的磨损分析及对策[J].煤矿机械，2015，36（5）：109-111.