基于ANSYS的刮板輸送機中部槽的優化設計

張曉文

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦， 山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機作為現代綜采工作面的主要運輸設備，在承擔煤炭運輸任務的同時，還具有采煤機導向和液壓支架推移支撐等作用。刮板輸送機的安全穩定運行是礦井高產、高效的保證，合理的中部槽關鍵尺寸是提高刮板輸送機綜合性能的基礎。為此，眾多科學家對刮板輸送機中部槽的優化設計進行了相關分析研究，并給出了一些技術優化方案。吳樂平[1]為了降低刮板輸送機的運行故障，提高運行效率采用ANSYS數值模擬軟件對刮板輸送機中部槽的參數進行優化設計，經優化后其可靠性與壽命都有效提升，為刮板輸送機的中部槽優化提供一定的指導。周書穎[2]通過分析刮板輸送機負載境況下的特性，通過加入模糊控制理論，對刮板輸送機運行速度等進行優化，保持了載煤段長度為一定值，較好地實現了刮板輸送機智能控制的可行性。杜貴云[3]對刮板輸送機的中部槽的寬度及中部槽中板的搭接形式進行優化設計，有效提升整機的運行穩定性。鎮城底礦為提高刮板輸送機運行的安全穩定性，對SGZ

764/630型刮板輸送機中部槽進行優化設計，從整體上提高刮板輸送機的運行效率。

1 刮板輸送機中部槽三維模型的構建

SGZ 764/630型刮板輸送機的中部槽主要由鏟板槽幫、擋板、底板和搭接板等組成。通過建立三維模型對中部槽進行優化設計，并將模型導入到ANSYS模擬軟件中，分別分析了四種工況下中部槽的應力分布狀況。對中部槽進行優化前需要進行中部槽建模，選取5節中部槽進行建模，將建立好的模型導入ANSYS模擬軟件，然后通過ANSYS DM插件對模型的可行性進行監測，在有限元軟件中，進行網格劃分是十分必要的，網格劃分不得過于細致，這樣會加重電腦的計算負荷，但網格劃分過于粗同樣會使模擬的結果精確度下降，選定八點四面體網格劃分對模型進行處理。中部槽模型網格示意圖如圖1所示。

圖1 中部槽模型網格示意圖

完成網格劃分后對其進行應力加載，當中部槽進行直行割煤時，分別對第一節凹端及第五節凸段進行固定，剩余凸凹端的接觸默認為無摩擦接觸。把采煤機滑靴的壓力作用于鏟板槽的幫板上，作用面積為兩者的接觸面積。前導向滑靴分別對煤壁及銷軌存在壓力。根據中部槽的材料特性對中部槽的物理屬性進行設置，本文的中部槽材料選擇為6BM，中部槽材料屬性參照表詳見表1。

2 刮板輸送機中部槽的應力仿真分析

表1 中部槽材料屬性參照表

模型建立完后，對直行割煤進行模擬，研究其中部槽應力分布情況。直行割煤下中部槽的應力分布圖如圖2所示。

圖2 采煤機直行割煤下中部槽的應力（MPa）分布圖

從圖2可知，在采煤機進行直行割煤的過程中，中部槽受到的最大壓應力為399MPa，同時最大應力出現在中部槽的鏟板槽幫的凸端位置，相比于應力集中部位的應力剩余位置的應力值相差較遠，應力分布出現對稱軸的趨勢，每處應力值都小于制作材料的屈服極限，因此采煤機在此工況下對中部槽損害較小，機械設備的磨損程度較低，使用壽命偏長。采煤機進行斜切進刀工作時，中部槽的第一節凹端和第四節凸端施加鉸接固定，剩余凸凹端的接觸默認為無摩擦接觸，且將采煤機滑靴所受的應力施加于鏟板上，接觸面積為兩者之間的作用面積[4]。采煤機斜進刀中部槽應力分布圖如圖3所示。

圖3 采煤機斜進刀中部槽應力（MPa）分布圖

從模擬結果圖3可以看出，在采煤機進行斜進刀割煤的過程中，中部槽受到的最大壓應力為356 MPa，同時最大應力出現在中部槽的鏟板槽幫的凸端位置，相比于應力集中部位的應力剩余位置的應力值相差較遠，應力分布出現對稱軸的趨勢，斜進刀工況下，軌座、銷軌與中部槽受到的應力值均小于材料屈服極限，當中部槽的部件承載的應力超過材料屈服強度后，部件將會產生永久的變形，當其應力值超過部件屈服極限，部件將會發生破壞，降低礦井的運輸效率。

3 優化結果與模擬分析

刮板輸送機在實際運行過程中，由于運輸量大，中部槽常常處于較大載荷的壓力下，磨損嚴重，特別是在槽幫啞鈴窩部位常常發生破壞。因此提升中部槽的剛度是非常有必要的，本文對中部槽槽幫啞鈴窩位置進行設計優化，以此來提升中部槽的剛度，提升部件的使用壽命。槽幫優化前后示意圖如圖4所示。

圖4 優化前后的結構應力分布圖

在相同的條件下，對改進后的中部槽進行模擬研究，模擬結果如圖5所示。

圖5 優化后的結構應力（MPa）分布圖

發現在相同的載荷及約束條件下，其余模擬條件保持不變，單一將結構的優化模型作為變量，圖中優化后中部槽受到的最大應力為1 462 MPa，與優化前的最大應力值比較有了一定的降低，根據其云圖的色彩顯示看出，優化后中部槽的應力集中分布區域有了一定的減少，應力分布分散，不會出現單點的應力集中現象，可以有效地避免中部槽單點損壞，提升了中部槽使用壽命及其強度。優化后中部槽的槽幫滿足其許用強度，能夠滿足其安全性要求。

為驗證優化效果，現場實踐對優化后的刮板輸送機中部槽進行觀測。為了更好地檢測中部槽的槽幫磨損情況，對中部槽各部件的磨損進行對比，對比厚發現，中部槽中板的平均厚度較設計的40 mm降低了3.6 mm，中板的平均厚度較設計的30 mm降低了1.56 mm，鏈道平均厚度磨損量較剩余部位的磨損量有了一定的增大，多磨損了1～2mm。由于本文中測量的尺寸均為槽口尺寸，所以中部槽的真實磨損量較測量值較小[5]。可以看出輸送機槽幫磨損量在合理的范圍內，并會造成中部槽的斷裂，啞鈴處的壓潰破壞及變形等均未發生，實踐證明優化效果顯著。

4 結論

1）鎮城底礦為保證刮板輸送機的運行安全穩定性，采用ANSYS數值模擬對采煤機直行及斜切割煤下中部槽受力情況分別進行分析，給出了直行割煤及斜進刀割煤下中部槽應力分布情況。對模擬后的應力集中部位槽幫部進行優化設計，較好地解決了應力集中，且中部槽的最大應力載荷有所降低，有效提升了中部槽的使用壽命。

2）根據現場實際測量發現中部槽中板及底板的平均厚度均低于設計厚度，鏈道部位的磨損較其余部位多了1～2 mm，但中部槽未發現明顯的破壞變形情況，保證了刮板輸送機的安全穩定運行效率。