刮板輸送機中部槽磨損特性數值模擬研究

白桂平

（山西焦煤西山煤電西曲礦，山西 太原 030000）

引言

礦井輸送機作為礦山運輸設備，其工作效率及工作可靠性在一定程度上決定著煤礦的開采效率，所以輸送機的工作性能優化成為了眾多學者研究的內容[1-2]。此前聶仕義[3]對刮板外載荷對電機的影響進行研究，利用Mat Lab/Simulink軟件建立了電機模型，給出了電機電流隨負載值以及電壓頻率變化的規律，并通過現場應用，給出了刮板輸送機在動態載荷下的調節方案。王紀東[4]對帶式輸送機多點驅動的控制與監測通過分析驅動滾筒的驅動力給出了電機的額定功率、數量及電機安裝位置，并通過對不同驅動方式下驅動效率的研究對比，設計了多點驅動監測系統，在一定程度上實現了帶式輸送機多點驅動，從而提升了帶式輸送機在工作面效率。

1 磨損理論分析

一般來說刮板輸送機的中部槽磨損可以分為宏觀磨損、微觀摩擦及表面接觸，對刮板輸送機中部槽磨損進行研究是為了獲得不同材料下中部槽不同工況磨損機理，進而為中部槽減磨耐磨提供一定參考。

當與不平整面進行接觸時，磨損均不可避免。為了研究磨損規律，對磨損曲線進行研究，常見的磨損曲線如圖1所示。

可以看出磨損曲線一般分為三個階段，分別為：跑合階段（Ⅰ）、穩定磨損階段（Ⅱ）及劇烈磨損階段（Ⅲ）。根據工況的不同刮板輸送機中部槽其磨損曲線存在多樣性，可以為圖1中的任意一種。

圖1 磨損曲線

磨損是指接觸表面發生相對的運動而產生相對的應力摩擦，是接觸表面逐漸出現脫落磨損及塑性變形的現象。由于礦山工況環境較差，使得機械部件磨損在任何部位均有發生。刮板輸送機由機頭驅動輪帶動鏈條，刮板在中部槽運行，在工作中承受煤料、液壓支架等的拉壓作用、沖擊載荷及循環應力等，導致中部槽受磨損形式不同，多種磨損在一定工況下轉化。常見的中部槽磨損機制主要有磨粒磨損、疲勞磨損、黏著磨損及腐蝕磨損。

發生磨損的接觸面由高低不平的顆粒組成，而發生實際接觸的僅為凸體部分，所以由于真實表面接觸面較小，使得接觸壓力較不均勻，凸體接觸部分受到極大的載荷，產生彈塑性變形。為了對磨損情況進行深入研究，本文利用數值模擬軟件對真實接觸面受力進行一定的分析，從微觀的角度研究中部槽接觸表面發生磨損的形式。

2 數值模擬研究

首先選定ABAQUS數值模擬軟件進行中部槽磨損研究，首先建立不平整接觸面即粗糙面，同時建立與粗糙面相同寬度的厚板，將粗糙表面接觸問題簡化為光滑表面與粗糙表面接觸模型，將建立的粗糙表面及光滑表面進行裝配，完成粗糙與光滑表面接觸的滑動模型。

完成模型設定后對材料屬性進行設置，中部槽粗糙面及光滑面材料分為16Mn、40Cr。兩種材料的力學參數分別為：彈性模量，212 GPa、200 GPa；泊松比為0.31和0.25，屈服強度為345 MPa和418 MPa；密度為7.87 g/cm3、7.85 g/cm3。完成模型參數設定后對模型的網格進行劃分，網格劃分時遵循接觸面劃分細、非接觸面劃分略粗的原則，保證計算時間及計算精度符合要求。對模型邊界條件進行設置，完成設置后對模型進行數值模擬計算。

首先將實際接觸面積（Ar）與理論接觸面積（An）之比（Ar/An）作為一個變量，首先對實際接觸面積與理論接觸面積之比隨加載時間的變化趨勢進行研究，模擬結果如圖2所示。

根據圖2可以看出，隨著加載時間的不斷增加，中部槽接觸面積之比呈現出先增大后減小的趨勢，由于理論接觸面的面積是一個恒定的值，所以接觸面之比逐步增大是指實際接觸面積逐步增大。當加載時間在25μs內時，此時的中部槽接觸面積之比達到最大值為0.052;當加載時間超過25μs后，此時的接觸面積之比略微降低，這是由于接觸面積受到加載應力的增大逐步增大，當加載完成后，此時的接觸應力會有一定的降低，使得接觸面積之比降低。

同時對不同加載速度及不同加載強度下的接觸面積之比進行一定的研究，模擬結果如圖3所示。

圖2 接觸面積之比隨加載時間變化趨勢圖

如圖3-1所示，不同加載速度下，接觸面積之比隨時間變化曲線均較為平穩，圖中的直線代表常數擬合線。整體看來，在加載開始時，接觸面積之比都迅速升高，然后出現一定的降低。出現這一現象的原因為加載速度并非平穩，所以接觸面積之比會出現一定的波動。隨著滑動時間的增加，接觸面積之比的波動趨于穩定。對比三種加載速度下的曲線可以看出，隨著滑動速度的增大，接觸面積之比無明顯變化，但加載的穩定減小，波動增大。而從圖3-2可以看出，隨著加載強度的不斷加大，接觸面積之比呈現出增大的趨勢，這是由于隨著加載應力的增大，使得加載接觸的嚙合度增大，接觸面積增大。所以可以看出影響真實接觸面積的主要因素為外部載荷而不是加載速度。

圖3 不同加載參數下接觸面積之比變化曲線

對最大接觸應力隨時間的變化趨勢進行分析，模擬結果如下頁圖4所示。可以看出，在加載的初期接觸壓力快速攀升，此時的外部載荷通過少數凸體傳遞。隨著加載時間的不斷增加，凸體的距離不斷縮進，接觸的凸體數量出現明顯增加，平均到每個粗糙凸體上的壓力呈現降低的趨勢，曲線有所下降。在后續加載中，由于凸體增加造成的應力降低量低于加載提升的應力量，所以曲線進一步上升。當加載完成后發生相對運動，此時由于摩擦阻力和摩擦熱效應導致最大接觸壓力出現不斷波動的情況。

3 結論

1）通過對接觸面積之比隨加載時間的變化趨勢進行研究，發現隨著加載時間的不斷增加，中部槽接觸面積之比呈現出先增大后減小的趨勢。

2）通過對不同加載速度和不同加載應力下的接觸面積之比進行分析，發現影響真實接觸面積的主要因素為外部載荷而不是加載速度。

圖4 最大接觸應力隨時間的變化圖

3）通過對最大接觸應力隨時間的變化趨勢進行分析，發現隨著加載時間的增加，最大接觸應力呈現先快速增大后平穩再波動的趨勢。