刮板输送机中部槽槽帮断裂失效研究与优化

2021-09-21樊兵

机械管理开发 2021年8期

樊兵

（西山煤电集团有限责任公司，山西太原 030000）

引言

刮板输送机是矿井综采工作面重要的运输设备，刮板输送机性能的优良直接决定了工作面推进的速度。中部槽作为刮板输送机运输和承载的主要载体，对刮板输送机的性能有决定性影响。井下特殊的开采环境，使得刮板输送机既要承受垂直应力，也需承受运行过程中的摩擦力和破碎岩块带来的冲击力。在滑靴运行的过程中，当底板突起严重时，导致采煤机的整体重量施加在中部槽上，因此造成中部槽的断裂失效。目前，煤矿中因为中部槽失效的案例较多，中部槽损坏的形式也有很多，除了采煤机造成的中部槽断裂之外，哑铃窝凸凹端以及推移耳造成的失效断裂也是主要的破坏形式。因为井下生产环境恶劣，工作空间较为狭小，一旦中部槽失效，进行更换维修将变得非常困难，导致工作面推进的速度降低，影响生产的效率。本文针对中部槽断裂现象，将对其进行力学分析和参数优化设计，研究结果可供煤矿改进中部槽参考。

1 直线截割工况下中部槽的力学分析

采煤机在井下工作时，直线截割作业是最为常见的一种工作状态。在直线截割作业下，采煤机对中部槽的力学测量困难，无法实现，因为刮板输送机的主体主要是由若干中部槽拼接而成，因此只了解中部槽中一节的载荷作用便可。中部槽在运动的过程中，与其相连接的采煤机滑靴以及行走齿轮是影响其力学性能的重要因素，又因为其特殊的连接方式，使得中部槽的运动是一个连续的动态过程。为此，选取三种有代表性的工况对中部槽受力特征进行分析，从而得到载荷作用下中部槽的力学特性。

因为实际数据难以测量，因此利用数值模拟软件进行分析。为了简化对中部槽的力学分析，将中部槽的底板、槽帮以及推移耳等部件看作一个整体，为了充分反映运行过程中不同节中部槽的力学影响，固选择三节中部槽进行建模分析，主要分析中间中部槽的力学性能，因此在模型的建立上，尽量细化中间中部槽，简化两端中部槽，去除多余倒角。

利用ANSYS 软件，对中部槽进行建模，考虑到矿井的实际开采状况，定义中部槽的材料为ZG30MnSi，采用8 节点、6 级精度的网格控制进行网格划分，底板性质定义为煤岩，采用8 节点、6 级精度的网格控制进行网格划分。

模型建立成功后，根据实际状况对模型施加载荷，得到图1 所示的中部槽应力云图。从图中可以看出，前槽帮肋板根部周围的应力集中现象明显，根据实际的生产经验，当中部槽损坏后，两肋板根部裂纹扩展明显，但是因为裂纹源不同使得两侧的裂纹扩展没有贯穿，而是从各自的肋板根部扩展发育。因为材料的抗压强度大于模拟中的等效应力，因此中部槽不会出现断裂状况。

图1 中部槽应力（MPa）云图

根据上述讨论可以得到，肋板根部所受的等效应力影响着裂纹的扩展，而载荷直接影响着肋板根部的等效应力。所以可以得到滑靴作用是导致中部槽断裂的主要原因。当滑靴在中部槽上方时，采煤机的重量通过滑靴施加在中部槽上，当采煤机运行时，中部槽还受到摩擦力的作用，虽然底板起到一定的支撑作用，但是在压力的长期作用下，铲煤板依旧会发生严重的变形，在前槽帮肋板的阻碍作用下，导致肋板根部产生变形，因此滑靴所受的垂直应力是影响肋板开裂的主要原因。

2 中部槽多目标驱动优化

通过对中部槽力学分析发现，中部槽的断裂主要是因为铲煤板受力过大，因为中部槽的受力特征可以看做多载荷的静力受力，因此从静态的角度对中部槽进行优化设计，从而降低铲煤板肋板根部的受力，提高中部槽的稳定可靠性。对于中部槽的优化设计，利用ANSYS 软件中的Workbench 模块进行分析。优化方案中中部槽的具体参数如表1 所示。

表1 中部槽各部位参数以及优化结果

为了更直观地观察各参数下中部槽的等效应力，绘制图2 所示的设备参数三维应力响应图，从图中可以看出，中部槽的等效应力随着输入参数的增加整体呈现降低的趋势，当各参数增加时，中部槽的质量也增加。从图2 中可以看出，当肋板厚度、铲煤板厚度、铲煤板长度以及肋板根部倒角参数增加时，曲线的斜率呈现降低的趋势，说明参数的增加并不会一直降低设备的等效应力值，而一直增加设备的参数使得中部槽的质量增加，使得设备投入成本增加。为此，应该选择最佳的优化参数，当肋板厚度为27.13 mm、铲煤板厚度为59.32 mm、铲煤板长度为231.25 mm 以及肋板根部倒角为31.87 mm 时，中部槽的承受压力为324 MPa，设备的质量为534.21 kg，成本投入较大，设备的承压能力较大。