刮板運輸機中部槽斷裂原因分析

葛鑫

（山西焦煤汾西礦業高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

刮板槽作為刮板運輸機的主要構成組件，不僅是采煤機運行的軌道，而且是物料運輸的主要載體，其運行工況的良好與否對采煤機工作效率有著直接影響。特別是對于大采高作業面而言，由于回采設備均屬于重型設備，加之作業面存在傾角，其刮板運輸機中部槽不僅要有足夠的強度還要有一定的塑性和韌性，避免在作業過程中發生中部槽斷裂，影響生產的持續開展。而這就需要針對中部槽失效事故開展分析，探究其失效原因，以便采取針對性措施，防止相似問題發生。

1 工程概述

高陽煤礦21103作業面為大采高作業面，工作面全長300 m，煤層厚度介于6.1～7.2 m，采高設計6.6 m。作業面采煤機選用7LS7型采煤機，原煤運輸采用3×1 000 kW型刮板輸送機，其中部槽寬1 200 mm。自工作面投產半年以來，刮板運輸機共計過煤超過700萬t，其中部槽先后損壞9節，為回采作業面生產秩序的有效組織和設備檢修帶來一定困難，影響了生產效益[1]。

2 中部槽斷裂分析

2.1 運輸機整體平移的運動分析

刮板運輸機作業過程中的水平移動主要包括刮板運輸機推移和拉架兩個過程，其中刮板運輸機的推移概指一個采煤循環完成后，通過油缸的伸出，將刮板運輸機推移至特定位置的過程，而后通過收回油缸并帶動液壓支架向前移動的過程便是拉架。圖1所示即為刮板運輸機推移時的水平彎曲段示意圖，圖1中1號—10號中部槽為推移過程中的水平彎曲段，而采煤機運動則向著與彎曲段相反的方向。

圖1 刮板運輸機推移時水平彎曲段示意圖

2.2 中部槽的受力分析

1）刮板運輸機推移時的中部槽受力分析。推移過程中液壓支架對中部槽水平段推力同其移動方向相同，但彎曲段由于各節均存在一定的轉角，因此其受力狀況同自身的轉角度數存在緊密的關聯性。假設上圖 1 中 1 號—5 號中部槽轉角分別為 α1、α2、α3、α4、α5，其中 αi+1=αi+1°（i=1、2、3、4）。6 號—10 號中部槽形態同前半段的形態呈現出反對稱性，則中部槽1號同10號，2號同9號受力狀況完全一致，并可以此類推。圖2所示即為推移時刮板運輸機中部槽受力示意圖，其中F1和F2為中部槽所受阻力，Ft為電機牽引力[2]。

圖2 推移作業時中部槽受力示意圖

2）拉架時的中部槽受力分析。拉架作業時，由于所有中部槽均處于相同直線上，因此其所受拉架力的作用效果是完全一致的，此時中部槽受力示意圖如下頁圖3所示，其中Fy為中部槽垂直受力。

3）采煤機通過時中部槽受力分析。當采煤機位于中部槽上方切割煤壁時其受力示意圖如下頁圖4所示。其中，G代表采煤機與中部槽重力和，N代表所受地面支撐力，Fq代表中部槽縱向受力。

一般而言，在刮板運輸機的推移和拉架過程中，中部槽受力以水平作用力為主，其中由于推移過程中“S”段各中部槽存在不同轉角，因此中部槽凹凸區域在刮板運輸機推移過程中的受力相較于拉架過程時更為集中。而采煤機經過中部槽時，中部槽受力以縱向作用力為主，特別是采煤機支撐滑靴停留在凹凸區域鏟板時，凹凸區域的應力集中更為顯著[3]。

圖3 拉架時中部槽受力示意圖

圖4 采煤機通過時中部槽受力示意圖

3 中部槽斷裂的實驗分析

3.1 受力實驗分析

采煤機經過中部槽區域時，鑒于回采作業面地板的起伏性，中部槽啞鈴座區域應力集中顯著。如果設備設計不科學或設備材質選擇不當，便會導致啞鈴座區域材料發生屈服，進而產生裂紋，影響其使用性能。因此，借助有限元分析技術，構建中部槽三維模型，針對其使用時的槽幫應力狀態進行分析。在模擬時對槽幫凸頭鏟板外側與凹頭窩下表面均添加4 000 kN作用力，可發現中部槽凸頭和槽幫過度區域均存在開裂趨勢，啞鈴銷座凹頭窩中部存在輕微開裂。在此設計一個實驗方案，對中部槽受力破壞情況進行分析[4]。

實驗方案：為準確模擬運輸機推移時的中部槽受力狀況，取兩段中部槽依照推移作業時的實際情況固定于實驗臺，同時在1節中部槽上布設液壓缸兩個用于模擬液壓支架在推移刮板運輸機中的作用，設定實驗壓力分別為1 600 kN、2 500 kN、3 000 kN和3 200 kN；單個液壓缸受力分別為800 kN、1250 kN、1500kN和 1 600 kN；啞鈴銷受力分別為 2 050 kN、3 170 kN、3 800 kN和 4 050 kN。在實驗中，中部槽槽幫凹凸區域始終未出現任何變形，啞鈴銷在實驗壓力為3 200 kN時出現1.2 mm的輕微變形，其他條件下均為發生變形。由此槽幫凹凸區域發生斷裂時不存在變形，為典型的脆性斷裂，發生斷裂的誘因可能是材質硬度過高所致，需進一步開展材料元素測定[5-6]。

3.2 材質元素測定實驗

基于受力實驗可知，當壓力增加至4 300 kN時中部槽凸頭區域和槽幫過渡區域機啞鈴銷凹頭區域均存在開裂趨勢。選取中部槽斷裂區域試樣開展材質元素測定，發現中部槽的Si、Cr、Mo和Mn等元素含量相對較大，容易發生脆斷。同時，針對中部槽性能進行檢測，結果顯示其屈服極限為740 MPa、抗拉極限為960 MPa、延伸率為1.2%、硬度為320～360，這表明該中部槽硬度超出硬度限定范圍（245～325），材質硬度偏高，因此在使用中容易出現疲勞斷裂現象。

4 結語

經由對大采高作業面刮板運輸機中部槽斷裂原因的分析，發現其制作材質中Si、Cr、Mo和Mn等元素含量相對較大，導致中部槽硬度偏高，易在使用過程中出現疲勞斷裂現象。針對此，技術人員應當總結經驗，在中部槽的鍛造、焊接作業中針對性地改良制作工藝，通過對局部結構的優化調整和對材質的優化配比，改良其性能，從根本上規避中部槽斷裂現象的發生。

參考文獻

[1]許聯航，劉混舉.大采高工作面刮板輸送機中部槽斷裂原因分析[J].煤炭科學技術，2014，42（4）：126-128.

[2]劉品強.刮板輸送機中部槽的強度分析及優化[D].天津：河北工業大學，2007.

[3]賈會會.刮板輸送機中部槽的研究現狀及發展趨勢[J].礦山機械，2010，38（5）：13-16.

[4]胡元哲.刮板輸送機中部槽磨損失效分析與抗磨措施[J].礦山機械，2009，37（1）：33-36.

[5]余斌.刮板輸送機中部槽結構分析與優化設計[J].煤礦機械，2014，35（12）：183-185.

[6]王新剛，梁愛國.刮板輸送機中部槽與刮板鏈的磨損分析及對策[J].煤礦機械，2015，36（5）：109-111.