刮板輸送機中部槽結構摩擦接觸及優化改進研究

焦彥波

（潞安化工集團常村煤礦，山西 晉城 046000）

1 工程概況

潞安化工集團常村煤礦采用立井開采、水平盤區布置，分區通風方式，主采3#煤層，煤層厚度為3.18～8.15 m，平均厚度6.02 m，采煤工藝為綜采放頂煤開采，煤種為優質貧煤，核定生產能力為800 萬t/a。井下綜采工作面主要采用西北天地奔牛SGZ1000/2000 型刮板輸送機進行煤炭物料的輸送作業。該刮板輸送機中部槽結構與原煤的接觸與摩擦較為頻繁，中部槽結構磨損較為嚴重，影響了中部槽結構及刮板輸送機的使用壽命。針采用ANSYS 軟件對中部槽摩擦接觸情況進行分析，針對性地對中部槽中板結構進行凹坑加工處理改造并確定相應參數[1-6]，提高設備的使用性能與使用壽命。

2 中部槽結構摩擦模型的建立與分析

2.1 刮板輸送機及中部槽結構的分析

SGZ1000/2000型刮板輸送機主要由機頭、機尾、動力部、過渡段、中部槽、電纜槽、刮板鏈、推移梁、機頭機尾擋板、機尾活擋板、活鏟板等部件組成。

中部槽是輸送機的主要組成部分，尺寸為1615 mm×1717 mm×560 mm。中部槽采用鑄焊封底結構，鏟板槽幫、擋板槽幫通過中板和底板焊接為一體，中部槽之間采用啞鈴銷聯接，擋板槽幫上鑄有推移耳。

2.2 三維模型簡化

以SGZ1000/2000 型刮板輸送機中部槽結構為例，采用UG 軟件建立中部槽的三維模型。中部槽特征尺寸如圖1，尺寸規格為1615 mm×1717 mm×560 mm。

圖1 中部槽特征尺寸示意圖（mm）

中部槽中的倒角、倒圓、小孔等結構對摩擦磨損行為影響不大，在三維建模時采用忽略處理。

2.3 有限元模型建立

利用UG 軟件建好三維模型后，導入到ANSYS進行有限元的分析。在ANSYS 軟件中對中部槽結構和煤料進行材料屬性的定義。中部槽結構采用16 Mn2材料，密度7800 kg/m3，彈性模量2.13×1012Pa，泊松比0.31；煤料密度1600 kg/m3，彈性模量1.99×109Pa，泊松比0.28。如圖2 所示，采用方塊代表煤料。采用SOLID 186 網格形式進行網絡劃分，共得到網格數16 875 個。

圖2 中部槽結構有限元模型

定義中部槽結構與煤料之間的摩擦系數為0.23，法向剛度因子為0.1，計算時要考慮到兩者的自重。

2.4 中部槽結構摩擦接觸結果分析

利用ANSYS 軟件對建好模型中部槽中板結構與煤料的接觸應力進行分析，結果如圖3。

圖3 中部槽中板結構與煤料之間的接觸應力

3 中部槽結構的優化改進及實踐效果

3.1 中部槽結構的優化改進

3.1.1 優化改進方案

經技術調研，將中部槽中板結構表面進行凹坑加工處理，可以有效地降低中板在工作時與煤料的摩擦磨損。原因分析：（1）中板凹坑加工中能促進表面材料硬化現象，提高凹坑區域材料表面的硬度，連成片的凹坑能有效提高中板表面的耐磨性；（2）中板表面在凹坑加工過程中會導致相應區域表面金屬材料凸起，成片凸起可在一起程度上架空在中板運輸的煤料，煤料與材料表面接觸面減小，有效降低摩擦磨損；（3）凹坑部位充填有小顆粒磨屑，煤料運輸中可規避中板的部分磨損問題。

3.1.2 最佳優化改造參數

基于以上分析，對SGZ1000/2000 型刮板輸送機中部槽結構進行表面的凹坑加工處理優化改造。中板表面凹坑的凹坑直徑、凹坑深度、凹坑的縱向和橫向間距三個結構參數對其磨損行為較為重要，可取三個參數不同的數值進行正交試驗，并進行ANSYS軟件建模分析，進而確定最佳優化改造參數。

凹坑直徑參數設定3 mm、4 mm、5 mm，凹坑深度參數設定3 mm、4 mm、5 mm，凹坑縱向和橫向間距參數設定40 mm、50 mm、60 mm。根據以上參數建立9 種不同的模型，進行ANSYS 軟件建模分析。中板結構的接觸應力分析結果見表1。

表1 中板結構的接觸應力分析表

從圖中數據可知，中板結構最大接觸應力值達到154 704 Pa，平均接觸應力也高達2 251.7 Pa，因此可認定該設備中部槽中板接觸應力高，摩擦磨損嚴重。從理論上確定了中部槽中板結構的摩擦磨損情況，因此對其進行優化改進，提高其摩擦磨損能力、延長使用壽命是非常有必要的。

從表1 數據可知，當凹坑直徑、凹坑深度、凹坑橫向距離、凹坑縱向距離分別為3 mm、3 mm、40 mm、50 mm時，中板結構最大接觸應力處于最小，數值為106 482 Pa，此時的平均接觸應力為1 154.7 MPa。對比優化改進之前的數據，中板結構最大接觸應力從154 704 Pa 降低至106 482 Pa，降低幅度達31.17%；平均接觸應力從2 251.7 MPa 降低至1 154.7 MPa，降低幅度達48.71%。這一數據有力地說明了改造后的中部槽中板結構的摩擦力大幅度降低了，能減緩結構的摩擦磨損。

3.2 實踐應用及效果分析

對中部槽中板結構按上述方案進行優化改造后，安裝在SGZ1000/2000 型刮板輸送機后投入到常村煤礦的生產實踐中。從改進前后磨損現象統計數據可知，改造后中部槽中板結構的磨損率從之前的0.037 4 mm/萬t 降低至0.015 9 mm/萬t；從2021 年8 月至今，改進后的中部槽中板結構沒有出現失效情況，使用壽命大幅度提高。因此，對SGZ1000/2000 型刮板輸送機中部槽結構進行表面的凹坑加工處理優化改造方案合理、可行，能有效提高中部槽結構的耐磨損性能，能有效提高設備的使用壽命，安全經濟效益顯著。