刮板輸送機中部槽疲勞與磨損分析

裴赟鋼

(山西汾西礦業(yè)集團 機電處， 山西 介休 032000)

刮板輸送機在運行時，中部槽主要有以下幾種工作狀態(tài)：采煤、推溜、移架以及單純運煤。其中單純運煤工況下受力最為簡單，只受承載的煤炭重力和自身重力的作用，最不易發(fā)生疲勞破壞；而采煤過程中，中部槽的鏟板和凹凸頭會受采煤機的壓力，但不會受水平方向的阻力和移架、推溜力，其疲勞破壞重點發(fā)生在中部槽的鏟板處。由于研究內(nèi)容所限，本文重點對中部槽的移架和推溜工況進行疲勞分析[1-3].

1 中部槽疲勞分析

1.1 中部槽移架分析

中部槽在移架時受到如下作用力：推移耳處受到水平方向的拉架力、地面給予的移動阻力、相鄰中部槽間給予的阻力、承載的煤炭以及自身提供的重力、承載的煤炭給予的沖擊力以及摩擦力。采用Ansys/Workbench對刮板輸送機中部槽進行移架分析。該中部槽的移架力為990 kN，經(jīng)過對中部槽的受力分析，在其兩側(cè)施加兩個方向相同、大小相等的495 kN的力。

其應(yīng)力、應(yīng)變見圖1，2. 通過對應(yīng)力、應(yīng)變云圖的觀察可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力、應(yīng)變最大的位置出現(xiàn)在中部槽的凹凸頭位置處，這是因為相鄰的中部槽之間保持著固定接觸，當受到移架力的作用后導致產(chǎn)生極大的應(yīng)力；中部槽的中板和槽幫均受到不同程度的應(yīng)力和應(yīng)變，在長期的實際工況下最終會導致變形；中部槽的推移耳處應(yīng)力應(yīng)變不大，證明推移耳可以承受990 kN的移架力，不會發(fā)生斷裂。

圖1 移架應(yīng)力圖

圖2 移架應(yīng)變圖

進一步對中部槽的移架損傷進行觀察(圖3)，可以發(fā)現(xiàn)損傷最大的位置正是應(yīng)力應(yīng)變最大的相鄰中部槽的連接處，由于應(yīng)力應(yīng)變過大導致?lián)p傷最為嚴重。移架的疲勞壽命見圖4，由圖4可以觀察到，疲勞壽命大部分位于103～le5次，中部槽在移架時安全可靠[1-2]. 移架安全系數(shù)見圖5，通過觀察可以觀察到疲勞安全系數(shù)大于1的部分，中部槽是安全可靠的，疲勞安全系數(shù)小于1的部分，中部槽可能發(fā)生疲勞破壞，因此當移架力較大時，應(yīng)考慮對此中部槽進行優(yōu)化設(shè)計，增強其安全性能。

圖3 移架損傷圖

圖4 移架疲勞壽命圖

圖5 移架安全系數(shù)圖

1.2 中部槽推溜分析

采用Ansys/Workbench對刮板輸送機中部槽進行推溜分析，由于中部槽的推溜工況移架工況較為類似，中部槽的受力只是由移架力變?yōu)橥屏锪Γ渌芰Σ话l(fā)生變化，因此只需在Workbench中去除對中部槽施加的移架力，重新添加推溜力。經(jīng)過計算，該中部槽推溜力為550 kN，在中部槽兩側(cè)施加兩個方向相同、大小相等的力，對推溜力進行模擬。保持其他設(shè)置與中部槽移架分析相同。

其應(yīng)力、應(yīng)變見圖6，7. 通過對圖6，7的觀察可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力、應(yīng)變最大的位置仍然出現(xiàn)在中部槽的凹凸頭位置處，但是由于推溜力小于移架力，中部槽的應(yīng)力、應(yīng)變比推移時較小，但在長期的實際工況下仍會導致產(chǎn)生變形；中部槽的推移耳處應(yīng)力應(yīng)變?nèi)圆淮螅C明推移耳在550 kN推溜力的作用下安全可靠。對中部槽的推溜損傷進行觀察，見圖8，可以發(fā)現(xiàn)推溜損傷遠小于移架損傷，說明由于推溜力小于移架力，中部槽在推溜時破壞的可能性遠小于移架時破壞的可能性。推溜的疲勞壽命見圖9，通過觀察圖9可以觀察到疲勞壽命為le6次，是安全的。推溜的安全系數(shù)見圖10，通過圖10可以觀察到疲勞安全系數(shù)大于l，且推溜安全系數(shù)遠大于移架安全系數(shù)，說明中部槽是安全的。

圖6 推溜應(yīng)力圖

圖7 推溜應(yīng)變圖

圖8 推溜損傷圖

圖9 推溜疲勞壽命圖

圖10 推溜安全系數(shù)圖

2 中部槽磨損研究

在刮板輸送機的中部槽使用過程中，其失效形式除了由于疲勞造成的變形和斷裂外，還存在著鏈道、連接板等處的磨損失效。因此，在對中部槽進行疲勞分析后，還有必要對其磨損進行研究[4-5].

2.1 中部槽磨損分析

在刮板輸送機的使用過程中，作為刮板輸送機主體的中部槽，其磨損是較為常見的問題。中部槽的磨損嚴重縮短了中部槽的使用壽命，而更換中部槽造成的刮板輸送機暫停使用以及所耗費的大量人力物力，嚴重影響了煤炭的運輸效率，增加了煤礦的生產(chǎn)成本，影響了煤炭生產(chǎn)的經(jīng)濟效益[6]. 據(jù)統(tǒng)計，在中國刮板輸送機的中部槽每年因為磨損而導致報廢的數(shù)量高達30～40萬節(jié)，折合鋼材3.6～4.8萬t，價值人民幣1.26～1.68億元。因此，對刮板輸送機中部槽的磨損問題進行研究十分必要。常見的刮板輸送機中部槽磨損主要有：1) 磨料磨損。2) 腐蝕磨損。3) 黏著磨損。

2.2 中部槽磨損解決辦法

為了解決中部槽的磨損問題，國內(nèi)外從增加厚度、改變材料、加工工藝等方面提出了多種辦法，其中較為典型的方法有以下兩種：

1) 增加中板厚度法。

顧名思義，即通過增加刮板輸送機中部槽的中板厚度，提升刮板輸送機中部槽的使用壽命。這種方法對于提高刮板輸送機中部槽的使用壽命效果并不顯著，在中部槽中板厚度增加到30～35 mm的情況下僅僅能保證100萬t的過煤量，而且加厚的中部槽仍然是“一次性”產(chǎn)品，在中部槽磨損后無法進行二次加厚，這造成了煤炭生產(chǎn)成本的提高和鋼材的浪費。

2) 中部槽耐磨堆焊+耐磨焊條法。

堆焊作為材料表面改性的一種經(jīng)濟而快速的工藝方法，越來越廣泛地應(yīng)用于各個工業(yè)部門零件的制造修復中，為了最有效地發(fā)揮堆焊層的作用，采用堆焊方法有較小的母材稀釋、較高的熔敷速度和優(yōu)良的堆焊層性能，即優(yōu)質(zhì)、高效、低稀釋率的堆焊技術(shù)。

針對刮板機中部槽的磨損，可以采用等離子粉末噴焊修復，同時對槽幫的磨損使用電弧噴制備耐磨層。等離子噴焊高鉻鑄鐵型自熔合金屬粉末具有生產(chǎn)效率高、成本低、稀釋率低和堆焊質(zhì)量好等特點。合金粉末熔化充分，飛濺少，熔池中熔渣易于排出，容易消除堆焊層內(nèi)夾渣等缺陷。

增加耐磨條即選用耐磨性能好的合金對刮板輸送機的中部槽進行加固，使得刮板和刮板鏈在中部槽中板的上層滑動，而與刮板輸送機的中板脫離直接接觸，從而保護中部槽中板直至堆焊層被磨平。與增加中板厚度法相比，耐磨焊條堆焊法減少了鋼材料的大量浪費，同時廉價耐磨堆焊焊條的使用也降低了經(jīng)濟成本，對提高刮板輸送機中部槽的使用壽命具有一定的效果。同時，當耐磨焊條層被磨平后，還可以對中部槽進行二次甚至多次重復堆焊，即對中部槽進行再制造，這種再制造技術(shù)減少了煤炭生產(chǎn)的成本。

使用耐磨焊條堆焊法可以選取不同的堆焊部位和形狀，菱形堆焊和兩側(cè)條形堆焊見圖11.

采用中部槽耐磨堆焊+耐磨焊條堆焊法與更換中部槽相比，可以大大節(jié)省煤礦生產(chǎn)成本。以SGZ800/1500型刮板輸送機為例，其單節(jié)中部槽價格約為3.5萬元。若綜采工作面長200 m，則需要中部槽133節(jié)，其中部槽費用為465.5萬元。

若采用耐磨焊條堆焊法對中部槽進行表面加固，其強化成本如下：堆焊成本為250元/節(jié)，耐磨焊條300元/節(jié)，施工費900元/節(jié)，稅費17%，為255元/節(jié)，因此，強化一節(jié)中部槽所需成本合計1 705 元，則強化200 m綜采工作面中部槽所需成本為22.67萬元。同時，加強后的刮板中部槽將未加強中部槽使用壽命的100萬t提高到200萬t. 能夠滿足高產(chǎn)高效礦井大修周期的需求。

圖11 堆焊中部槽圖

通過對增加中板厚度法和中部槽耐磨堆焊+耐磨焊條堆焊法的綜合比較發(fā)現(xiàn)，采用中部槽耐磨堆焊+耐磨焊條堆焊法解決中部槽的磨損較為合理，符合煤炭生產(chǎn)的實際情況，是一種綠色、可持續(xù)的解決辦法。

3 結(jié) 論

文中建立了刮板輸送機中部槽的靜力分析模型，對其進行了推溜工況和移架工況的疲勞分析，驗證了該中部槽的可靠性；對中部槽的磨損問題進行了探討，通過經(jīng)濟對比選出了解決中部槽磨損問題的最優(yōu)方法，有效解決了生產(chǎn)實際應(yīng)用中工作面中部槽的磨損問題。

參 考 文 獻

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[4] 馬忠昌,霍偉亞,李長貴,等. 刮板輸送機中部槽在維修中耐磨堆焊焊條研發(fā)對比分析[J]. 神華科技,2015,(1):25-28.

[5] 孫玉宗,于洪愛,李惠琪,等. 刮板輸送機中部槽等離子熔覆合金涂層技術(shù)[J]. 煤礦機械,2007,28(9):112-113.

[6] 張小鳳,霍偉亞. 斷續(xù)菱形花紋焊道工藝在刮板輸送機中部槽耐磨修復中的應(yīng)用[J].中國煤炭,2013,(12):81-83.