選煤機排料系統(tǒng)中刮板結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

趙健翔

（霍州煤電團柏礦白龍洗煤廠， 山西 霍州 031412）

引言

目前，風(fēng)力選煤和空氣重介質(zhì)選煤是干法選煤的兩大技術(shù)途徑。空氣重介質(zhì)選煤設(shè)備通過鼓風(fēng)機得到壓縮空氣，將壓縮空氣通過布風(fēng)板進(jìn)入流化床，入選煤由選煤機上方入料口進(jìn)入流化床，物料在流化床中，比重小的精煤上浮，比重大的矸石下沉，最后由刮板輸送機分別排出機外[1-2]。選煤機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空氣重介流化床選煤機示意圖

由圖1可以看出，鼓風(fēng)機和刮板輸送機是干法選煤機的兩大主要工作部件。其中刮板輸送機尤其是其主要受力刮板是干法選煤機中最易損壞的零部件。其主要損毀方式包括刮板與精煤或矸石的磨粒磨損、刮板在大載荷運送散料下的塑性變形及刮板受到大塊矸石大沖擊載荷下的脆性斷裂三種情況。刮板的損壞會降低刮板輸送機的運行效率，甚至將刮板輸送機卡死，輕則導(dǎo)致洗煤機的停工影響生產(chǎn)，重則發(fā)生安全生產(chǎn)事故。因此，通過先進(jìn)的設(shè)計方法對刮板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的。

1 刮板的受力分析

對于刮板的受力分析，我們假設(shè)一種惡劣的工況，當(dāng)刮板受到矸石等硬物卡住后停止運動，此時刮板兩側(cè)傳動系統(tǒng)持續(xù)運動導(dǎo)致刮板與硬物之間有很強的相互作用，直至刮板將硬物破壞，刮板繼續(xù)正常運轉(zhuǎn)。在整個過程中刮板受到硬物的剪切力與傳動系統(tǒng)對刮板的彎曲應(yīng)力。為計算方便，將硬物假設(shè)為金屬桿。此假設(shè)中包含硬物參數(shù)及運動參數(shù)如表1所示。

下面對刮板剪斷Q235代表的硬物的過程進(jìn)行分析，其受力如圖2所示。

表1 硬物參數(shù)及運動參數(shù)表

圖2 刮板受力示意圖

圖中：v為刮板鏈運行速度，x和y為硬物移動的橫向和縱向，θ為刮板安裝的傾斜角度，L為刮板的長度，G為刮板自身重力，F(xiàn)1為傳動系統(tǒng)拉力，F(xiàn)2為散狀物料載荷的作用力，F(xiàn)3傳動系統(tǒng)對刮板的壓力，F(xiàn)4為硬物對刮板的作用力，F(xiàn)5為槽底對刮板的支撐力，F(xiàn)6為滑軌對刮板的壓力，F(xiàn)7及F8為刮板受到的摩擦力。

1）刮板對散裝物料的承載力與物料自重及摩檫力關(guān)系式：

式中：μ1為物料與槽底的靜摩擦系數(shù)，取0.1；G1為散狀物料的重力，取1 960 N；θ為刮板輸送機傾角，取22°30′。

2）傳動系統(tǒng)對刮板的壓力關(guān)系式：

式中：L為刮板長度，取800 mm；q0為單位長度傳動系統(tǒng)質(zhì)量，取47.5 kg/m。

3）金屬桿受到剪切力關(guān)系式：

式中：r為金屬桿截面的半徑，S為金屬桿的截面面積，σc為斷裂強度。

圖2中的其他各項力學(xué)參數(shù)也可通過受力簡圖得到計算公式并予以計算。

2 刮板結(jié)構(gòu)的分析優(yōu)化

刮板主要的損壞方式包括磨損、彎曲和沖擊斷裂，我們僅對刮板受到大剪切應(yīng)力導(dǎo)致折彎或斷裂進(jìn)行仿真分析。刮板是一個變截面零件實體單元，在某些區(qū)域，當(dāng)最大應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時，會出現(xiàn)折彎甚至斷裂，影響刮板輸送部件及洗煤機整機的壽命。

下面利用UG10.0進(jìn)行刮板建模，并用NX Nastran靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行仿真分析尋找現(xiàn)有刮板中的力學(xué)薄弱區(qū)域，并對其加強后進(jìn)一步仿真，得到比強度較高的刮板結(jié)構(gòu)形式。

2.1 刮板模型的建立

利用NX10.0對刮板主體及兩側(cè)Z型蓋板進(jìn)行建模，并從零件庫調(diào)用螺栓螺母組件，建立刮板組件整體模型如圖3所示。

圖3 刮板組件模型

2.2 有限元模型建立

對上述刮板組件進(jìn)行必要的理想化，去除無用倒角及孔洞，緊固件部分用RBE2單元進(jìn)行1D單元連接，對刮板及螺釘進(jìn)行材料選擇，并賦于實體上。刮板的理想化模型如圖4所示。

對理想化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接關(guān)系到靜力學(xué)分析的準(zhǔn)確性，由刮板模型及力學(xué)普遍性規(guī)律可知，刮板薄弱處可能位于螺栓緊固件所處位置附近，因此，對該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化剖分，其余位置進(jìn)行大網(wǎng)格剖分以保證計算速度。得到網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖4 刮板理想化模型

圖5 網(wǎng)格劃分模型

選擇卡阻區(qū)域為約束面，在全局WCS坐標(biāo)系下，選擇z方向為固定，其余x、y、rx、ry及rz均為自由；因刮板只能在半封閉的矩形溜槽內(nèi)運動，約束面選擇溜槽與刮板組件接觸的底面區(qū)域，在全局WCS坐標(biāo)系下，y軸平移固定，其他為自由；選擇刮板主體的兩端面為約束面，在全局WCS坐標(biāo)系下，x軸平移固定，其他為自由[3]。選擇根據(jù)第一節(jié)中計算所得刮板載荷環(huán)境參數(shù)進(jìn)行加載。

2.3 刮板組件仿真結(jié)果分析

采用NX Nastran求解器中的SOL101線性靜態(tài)-全局約束方案進(jìn)行求解。結(jié)果選項中對全局RMS應(yīng)力及形變進(jìn)行輸出。得到結(jié)果云圖，如圖6、圖7所示。

圖6 刮板組件應(yīng)力（MPa）云圖

圖7 刮板組件形變（mm）云圖

從圖6及其運行狀態(tài)可知：刮板的總質(zhì)量為40 kg；最大應(yīng)力出現(xiàn)在緊固件周圍，應(yīng)力值為182.3 MPa，符合初期預(yù)期位置，根據(jù)所選材料力學(xué)參數(shù)及設(shè)計要求其安全系數(shù)為4，可以求得緊固件周圍最大應(yīng)力大于許用應(yīng)力，不滿足設(shè)計要求，其余位置均滿足設(shè)計指標(biāo)。因此需對Z形蓋板及其緊固件周圍區(qū)域進(jìn)行加強。

3 刮板組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

根據(jù)上述仿真結(jié)果及其分析可知，需對Z形蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)刮板使用環(huán)境及受力情況，建立刮板模型，如圖8所示。

圖8 新版刮板結(jié)構(gòu)示意圖

采取與第二節(jié)中刮板相同的材料及力學(xué)載荷進(jìn)行有限元模型建立，得到其約束加載模型。

同樣采用NX Nastran求解器中的SOL101線性靜態(tài)-全局約束方案進(jìn)行求解。結(jié)果選項中對全局RMS應(yīng)力及形變進(jìn)行輸出。得到結(jié)果云圖如圖9、圖10所示。

由上述分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的刮板組件總質(zhì)量略低于優(yōu)化前，為33 kg；最大應(yīng)力位于傳動系統(tǒng)和蓋板連接處，為74.8 MPa，滿足所選材料的許用應(yīng)力。因此，優(yōu)化后的刮板組件結(jié)構(gòu)可滿足選煤機刮板輸送組件使用條件。

圖9 新版刮板組件應(yīng)力（MPa）云圖

圖10 新版刮板組件形變（mm）云圖

4 結(jié)論

1）選煤機排料系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜，尤其是刮板處于各種載荷共同作用下，因此對刮板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計使其滿足復(fù)雜工況使用條件尤為重要。

2）通過兩種刮板結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析，得出對刮板結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。