刮板輸送機中部槽結構的靜力學分析及其優化改進

王 娜

（晉能控股煤業集團有限公司機電設備中心，山西 大同 037003）

引言

刮板輸送機是綜采工作面中重要的煤礦采集和運輸裝備，其工作效率對整個采煤效率有非常重要的影響[1]。中部槽結構是刮板輸送機中的重要受力結構件，在工作過程中需要承受比較大的載荷，且承受的是循環作用力[2]。復雜的工作環境導致中部槽結構容易出現各類故障問題[3]。已有的實踐經驗表明，中部槽結構出現的故障次數在整個刮板輸送機故障中占據很大比例[4]?；诖?，針對刮板輸送機中部槽結構進行分析，以提升其服役壽命是煤礦企業不得不面對的重要問題[5-6]。本文以SGZ1000/3×1000型刮板輸送機為例，對其中部槽結構的受力情況進行有限元分析，在此基礎上結合實踐情況對中部槽結構進行優化改進，取得了很好的應用效果。

1 刮板輸送機中部槽結構概述

SGZ1000/3×1000型刮板輸送機在結構上可以被劃分成為四個部分，分別為機尾段、機頭段、中間段和過渡段。刮板輸送機同時由三臺電機驅動，每臺電機的功率為1 000 kW。鏈條運行速度為1.56 m/s，煤礦物料輸送能力為1 000 t/h，適合在傾角不超過10°的工作面中使用。中部槽結構是刮板輸送機中的重要構成部分，見圖1。從圖中可以看出，中部槽由多個結構件構成，其中最主要的包括中板、底板、軌座、鏟板槽幫、擋板槽幫、聯結板等。這些結構件主要通過焊接的方式進行生產制作。刮板輸送機工作時運輸的煤礦物料重量全部會作用到中部槽結構中，對結構力學性能提出了較高的要求。實踐表明，中部槽結構運行時比其他部位更容易出現故障問題。因此，非常有必要對中部槽結構的受力情況進行深入分析，以便發現問題并解決問題。

圖1 刮板輸送機中部槽的整體結構

2 刮板輸送機中部槽結構靜力學模型的建立

2.1 三維模型的建立

在對刮板輸送機中部槽結構進行靜力學分析前，需要利用三維建模軟件對其幾何模型進行建立，使用的軟件為PRO/E。需要說明的是，圖中顯示了中部槽結構的主要結構，對一些非重要結構細節比如圓角、小孔、倒角等部位進行了省略處理，目的在于在保證計算結果準確性的前提下，縮短模型計算時間。

2.2 有限元模型的建立

有限元分析工作由ANSYS軟件來完成，需要將PRO/E軟件建立的幾何模型導入到ANSYS軟件中進行進一步建模。模型導入后，根據實際情況對中部槽結構不同部位零件的材料屬性進行設置。其中，鏟板槽幫、擋板槽幫、軌座零件使用的材料均為ZG30MnSi，中板、底板零件使用的材料均為NM360，聯接板和銷軌零件使用的材料分別為Q345B和42CrMo。查閱材料手冊可知上述幾種材料的基本力學和物理屬性，將其輸入到有限元模型中，以便得到更加準確和真實的結果。

完成材料屬性設置后，需要對模型進行網格劃分，這是有限分析中必不可少的也是非常重要的環節。ANSYS軟件中有多種類型的網格形單元，結合實際情況本模型中選用的是六面體網格類型，網格大小按照軟件推薦的數值進行設置。最終劃分得到了網格單元數量和節點數量分別為8 324和9 253個。

3 中部槽結構靜力學分析結果

完成有限元模型建立工作后，就可以調用分析計算模塊對模型進行計算分析，然后對結果進行提取。如圖2所示為中部槽結構的靜力學分析結果，圖中主要顯示了中部槽結構不同部位的受力情況。從圖中可以明顯看出，中部槽結構不同部位的受力情況存在很大的差異。很多部位基本上沒有承受應力，等效應力為0，但局部位置的最大等效應力達到了588 MPa，最大應力值出現的部位主要在鏟板槽幫部位。鏟板槽幫使用的材料為ZG30MnSi，該型號材料的屈服強度為600 MPa左右。雖然中部槽結構局部最大應力值沒有超過材料的屈服強度，但已經非常接近。中部槽結構工作過程中需要承受循環載荷。最大應力部位在循環載荷作用下非常容易出現疲勞損傷，進而引發微裂紋，最終導致該部位出現斷裂的現象。

圖2 中部槽結構的靜力學分析結果（單位：MPa）

在工程實踐中，刮板輸送機中部槽結構的鏟板槽幫部位就容易出現斷裂問題，見圖3。該結果與本文研究的結果基本相同。理論和實踐結果均表明，中部槽的鏟板槽幫部位是薄弱環節，需要對其結構進行進一步的優化改進，以完善整個中部槽結構的受力情況，使其受力更加均勻，降低局部最大應力值。

圖3 鏟板槽幫部位損壞的現場圖片

4 中部槽結構的優化改進研究

在以往的中部槽結構中，鏟板槽幫部位中的橫板和豎板沒有進行連接，使得該部位的結構件相互獨立，降低了該部位的剛度，因為容易出現斷裂的問題，見圖4?；诖?，結合實際情況將鏟板槽幫對應位置的橫板和豎板進行連接，以提升該部位的剛度，改進后的鏟板槽幫結構如圖4所示，圖中圓圈內就是改進的部位。

圖4 中部槽鏟板槽幫結構的優化改進措施

利用PRO/E和ANSYS軟件根據優化改進后的結構，建立對應的有限元模型，模型的建立過程和其他條件設置全部一樣，再次對中部槽鏟板槽幫靜力學情況進行分析，所得結果如圖5所示。從圖中可以看出，中部槽結構的整體受力仍然不均勻，這是不可避免的現象，因為中部槽結構工作時承受的就是非均勻作用力。與優化改進前的受力情況對比可以發現，優化改進后中部槽結構的最大應力值降低到了452.31 MPa。出現最大應力值的部位仍然集中在鏟板槽幫。眾所周知，零部件承受循環載荷時，當最大應力值降低時，結構能夠承受的循環次數將會顯著增加。中部槽結構最大應力的降低意味著結構的使用壽命延長，顯著提升了中部槽結構的服役可靠性和穩定性。

圖5 優化改進后中部槽結構的受力（MPa）情況

5 結論

將研究的優化改進方案應用到刮板輸送機工程實踐中，取得了很好的應用效果。實踐過程中中部槽結構的故障率有了顯著降低，與優化改進前相比，中部槽結構的使用壽命提升了20%以上，不僅為煤礦企業節省了大量的設備維護保養成本，同時還提升了設備的開機時間，進一步發揮了設備應有的效率。總之，對刮板輸送機中部槽結構的優化改進，為煤礦企業創造了良好的經濟效益，得到了煤礦企業技術人員的一致認可。