刮板輸送機中部槽磨損分析

白志光

（山西煤炭運銷集團能源投資開發有限公司，山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機作為煤礦綜采工作面的主要設備之一，在采煤機與液壓支架之間具有橋梁的作用。刮板輸送機的核心是中部槽，由于該設備長期經受刮板、鏈條及煤炭等物料的磨損，中部槽的壽命成為了決定刮板輸送機壽命的主要因素[1]。趙云才建立了中部槽的摩擦學系統模型，理論分析得出了中部槽的磨損存在多種機制，通常為磨粒磨損和腐蝕磨損[2]；蔡柳研究了中部槽運煤過程中磨損狀況，然而，對于設備本身之間部件的磨損研究較少[3]。因此，本文以刮板輸送機中部槽作為主要研究對象，采用數值模擬的方法對中部槽接觸表面的磨損情況進行研究，獲得了表面粗糙面的變化規律。

1 模型的建立

刮板輸送機中部槽的部件在實際接觸過程中由于凹凸體的存在，并不是完全的面接觸狀態，而是粗糙的突起體之間的點接觸狀態。為了最大程度地還原中部槽部件間的摩擦滑動，采用隨機分布的方式創建粗糙接觸面，為便于分析，將中部槽摩擦副之間的磨損簡化為粗糙面與光滑面之間的摩擦，從而構建接觸滑動模型，如圖1 所示，上部為粗糙實體，下部為光滑實體。模型的材料選擇上部粗糙部件為16 Mn，下部為40 Cr，其力學參數見表1。

為防止模擬過程中出現不收斂情況，上部粗糙實體M 采用四面體剖分網格，下部光滑體N 采用六面體進行網格的劃分。邊界條件及加載形式采用在加載階段，對上部粗糙實體施加載荷P，其他部件表面均采用約束自由度的方式；滑動階段，其他表面的邊界條件不變，將下部實體沿X 方向約束接觸，并給予速度V。

圖1 粗糙接觸面模型

表1 材料參數表

1.1 不同階段接觸面積的變化

刮板輸送機中部槽工作過程中，影響結構部件壽命主要因素在于其接觸面積以及接觸面上的應力場分布狀況。為此，本文以有效接觸面積Ar與名義接觸面積An的比值為指標來定量研究接觸面與二者的關系。

如圖2 所示，隨著時間的推移，結構體表面接觸面積分為三個階段，依次為勻速增加段、快速增加段和穩定階段。勻速增加段的產生主要是在加載初期隨著荷載增加，首先接觸的部位是較高凸體表面，由于荷載較小，此時接觸體僅發生彈性范圍內的變形；隨著荷載增加，出現更多的凸體接觸，一部分凸體開始出現了塑性變形，另一部分依舊處于彈性變形階段，導致接觸面積迅速增加；第三階段接觸面積下降，是因為較大的載荷導致部分凸體水平應變增加，擠壓了部分空間，使得接觸面積減小。

圖2 接觸面積隨時間變化曲線

為研究刮板輸送機運行過程中的部件之間的摩擦狀況，分別計算了不同運行速度和載荷條件下的接觸面積變化規律。通過圖3-1 可知，在載荷一定的情況下，運行速率越大，接觸面積的波動越明顯，但其均值相差不大；而通過圖3-2 可知，在運行速率一定的情況下，載荷的增加會導致接觸面積的增大，同時會使接觸面在運行初期波動效應減小。其原因在于，中部槽部件接觸面積的大小主要決定于上覆載荷所導致的接觸體變形量，運行速率的增加會導致部件間接觸時間過短，凸體部分處于高頻率的變形過程中，從而導致接觸面積波動；而隨著載荷增加，將會導致凸體變形增大，部件間的接觸更加充分，因此導致運行初期波動減小，接觸面積增加。

通過以上分析可知，在刮板輸送機運行加載階段，部件間的接觸面積相對較小，因此會造成部件表面微凸體處的應力集中，從而加速部件的磨損；進入穩定運行階段，刮板運行速率過大將導致部件間的接觸頻繁波動，同樣會導致磨損的加劇。同時，盡管載荷增加會使得部件間的接觸更快地進入穩定狀態，但同時也會引起部件間摩擦力增大，從而引起部件磨損加快。

圖3 運行過程中接觸面隨速度及載荷變化曲線

1.2 不同階段凸體表面應力分布

刮板輸送機中部槽的磨損最根本原因在于部件之間的表面在外荷載作用下產生變形，以及摩擦生熱所產生的熱應力加劇了部件的磨損程度。

通過分析圖4 中接觸體表面應力分布云圖可知，在加載初期（30μs 前）接觸體表面的應力分布區域隨著加載的進行而不斷擴大，并且高應力區域主要分布在微凸體的尖端位置，這主要是由于在加載初期，上覆載荷的應力主要有微凸體首先承載，隨著時間的增加，微凸體產生變形導致高應力區域不斷增大；而進入滑動運行階段以后，由圖4-3、4-4 可知，結構體表面應力分布區域相差不大，但此時的高應力區域已經有微凸體的尖端向兩側轉移，這主要是因為穩定運行階段微凸體變形達到平衡，微凸體的變形使得接觸面變大，從而使得尖端兩側出現變形不協調現象，繼而引起高應力區域的轉移。

圖4 不同階段接觸體表面應力（MPa）分布云圖

由此可知，長期不穩定運行將會導致刮板輸送機部件間的接觸面積反復波動，致使部件表面的應力分布長期處于應力集中的狀態，繼而導致刮板部件的磨損情況加劇。

2 結論

通過分析刮板輸送機中部槽在運行過程中的不同階段接觸表面及部件內部應力分布可知：

1）在刮板輸送機的運行的加載階段，部件間的接觸面積將不斷增加，接觸面積過小將會使得應力集中現象嚴重，從而加速部件之間的磨損，應盡量縮短加載段到穩定運行段所需時間，從而減小部件磨損；

2）刮板輸送機運行速度過快將會導致部件間的接觸面積處于不斷波動的狀態，這種現象會加快部件的磨損；

3）刮板輸送機運行過程中，加載段的凸體表面應力分布相比運行階段的應力分布應力集中現象更加明顯，會加快部件的磨損。