刮板輸送機(jī)中部槽沖擊損傷及分析研究

楊紀(jì)

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

刮板輸送機(jī)作為煤炭綜采工作面重要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于煤炭采掘領(lǐng)域，其工作的安全性和可靠性對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)影響重大。刮板輸送機(jī)工作過程中易受較大的沖擊載荷，出現(xiàn)沖擊損傷磨損等問題。在實(shí)際井下作業(yè)中，刮板輸送機(jī)不僅工作環(huán)境惡劣，應(yīng)用工況也不盡相同，包括水平、上運(yùn)和下運(yùn)工況，相關(guān)規(guī)定要求刮板輸送機(jī)上、下運(yùn)工況時(shí)，前傾角數(shù)值不能太大，尤其是下運(yùn)工況時(shí)，較大的傾角會(huì)出現(xiàn)落煤下滑問題。但是目前關(guān)于前傾角對(duì)于刮板輸送機(jī)中部槽沖擊損傷規(guī)律的研究較少。因此，本文針對(duì)王坡煤業(yè)3310綜采工作面SGZ764/630型刮板輸送機(jī)中部槽沖擊損傷問題，開展前傾角對(duì)中部槽沖擊損傷的影響規(guī)律，以期改進(jìn)刮板輸送機(jī)中部槽沖擊損傷情況。

2 中部槽損傷及影響因素

王坡煤業(yè)3310綜采工作面在實(shí)際作業(yè)過程中，刮板輸送機(jī)中部槽經(jīng)常出現(xiàn)沖擊損傷問題，如圖1所示，中部槽中間位置已被沖擊出現(xiàn)裂紋，而且中部槽沖擊損傷位置大多處于中部槽中部，即直接承受落煤沖擊的位置。根據(jù)王坡煤業(yè)刮板輸送機(jī)中部槽故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，平均每3個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)中部槽板沖擊損傷問題，更換中部槽板費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響工作面安全高效生產(chǎn)。

圖1 中部槽沖擊損傷Fig.1 Impact damage of middle groove

刮板輸送機(jī)中部槽工作過程中涉及的主要參數(shù)包括側(cè)傾角、前傾角、鏈間距和落煤粒徑等。從刮板輸送機(jī)安裝布置的角度出發(fā)，前傾角和側(cè)傾角是主要的影響因素，而鏈間距是由刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)決定的，與安裝使用無關(guān)，落煤粒徑的大小主要是由采煤機(jī)掘進(jìn)過程中隨機(jī)產(chǎn)生的，不受人為意識(shí)左右。因此，為了提高刮板輸送機(jī)中部槽工作的可靠性，從安裝使用維護(hù)等方面進(jìn)行改進(jìn)的話，需要重點(diǎn)關(guān)注前傾角和側(cè)傾角。根據(jù)王坡煤業(yè)實(shí)際情況，此次選擇前傾角對(duì)中部槽沖擊損傷規(guī)律的影響進(jìn)行研究，以期延長(zhǎng)該礦刮板輸送機(jī)中部槽的使用壽命。

3 仿真模型建立

3.1 仿真模型

通常實(shí)際工作中刮板輸送機(jī)中部槽的最大傾角不能大于10°，基于此建立了上運(yùn)工況時(shí)傾角10°的仿真模型和下運(yùn)工況時(shí)傾角-10°的仿真模型，如圖2所示。由圖2可以看出，上運(yùn)工況時(shí)落煤與刮板運(yùn)動(dòng)方向相反，而下運(yùn)工況時(shí)，落煤與刮板運(yùn)動(dòng)速度相同。

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation mode

3.2 參數(shù)設(shè)置

完成刮板輸送機(jī)中部槽前傾角仿真計(jì)算模型建立之后在EDEM軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，首先定義上運(yùn)工況為正，下運(yùn)工況為負(fù)，設(shè)置5個(gè)前傾角度梯度，分別為-10°、-5°、0、5°、10°。根據(jù)王坡煤業(yè)3310綜采工作面和SGZ764/630型刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置落煤沖擊高度為1 m，落煤類型選擇無煙煤，刮板間距設(shè)置為140 mm，仿真計(jì)算時(shí)間為5 s。

4 仿真結(jié)果及分析

此次模擬研究前傾角對(duì)中部槽沖擊磨損深度和法向累計(jì)接觸能量的影響規(guī)律，導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步分析規(guī)律趨勢(shì)。

4.1 前傾角對(duì)中部槽沖擊磨損深度的影響

刮板輸送機(jī)中部槽前傾角度與沖擊磨損深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以得出，中部槽水平工作時(shí)，相較于中部槽存在前傾角，沖擊損傷深度最大，數(shù)值為1.19×10-6mm，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是上運(yùn)工況和下運(yùn)工況時(shí)，落煤與中部槽沖擊時(shí)存在沖擊角度，落煤對(duì)中部槽的法向沖擊強(qiáng)度減小，使得中部槽的沖擊損傷程度降低。

圖3 中部槽不同前傾角對(duì)應(yīng)的沖擊損傷深度Fig.3 Impact damage depth corresponding to different rake angles of central groove

由于中部槽處于下運(yùn)工況時(shí)，落煤與中部槽上方刮板的運(yùn)行分量一致，落煤與中部槽接觸的瞬間速度較大，對(duì)中部槽的沖擊損傷相對(duì)較大，中部槽前傾角-10°時(shí)產(chǎn)生的沖擊損傷深度數(shù)值略大于前傾角10°時(shí)產(chǎn)生的沖擊損傷深度數(shù)值。中部槽前傾角在-10°～0和0～10°兩個(gè)區(qū)間段內(nèi)，沖擊損傷規(guī)律呈現(xiàn)線性分布，說明中部槽隨著前傾角的增大，沖擊損傷深度逐漸降低，峰值出現(xiàn)在中部槽水平工作狀態(tài)。

4.2 前傾角對(duì)中部槽法向累計(jì)接觸能量的影響

刮板輸送機(jī)中部槽法向累計(jì)接觸能量與前傾角的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。可以看出，初始0～0.5 s時(shí)中部槽未出現(xiàn)法向累計(jì)接觸能量的變化，原因是落煤剛離開采煤機(jī)滾筒，尚未落至中部槽；0.5～1.5 s時(shí)，中部槽法向累計(jì)接觸能量呈現(xiàn)出了較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，此時(shí)正處于落煤集中沖擊中部槽的工況；1.5～5 s時(shí)，中部槽法向累計(jì)接觸能量依然呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)速度有所放緩，主要原因是隨著落煤在中部槽的堆積，出現(xiàn)了“煤打煤”的情況，降低了落煤對(duì)中部槽的沖擊損傷作用。

中部槽前傾工作時(shí)，落煤與中部槽上方刮板存在沖擊角度，中部槽法向累計(jì)接觸能量較低，水平無傾角工作時(shí)中部槽的法向累計(jì)接觸能量相對(duì)較大。由圖4可知，水平無傾角工作時(shí)5 s時(shí)間內(nèi)的法向累計(jì)接觸能量為2.01 kJ，而前傾角為-10°和10°時(shí)對(duì)應(yīng)的中部槽法向累計(jì)接觸能量數(shù)值分別為1.77 kJ和1.42 kJ，下運(yùn)工況時(shí)的法向累計(jì)接觸能量數(shù)值大于上行工況，主要原因是下運(yùn)工作時(shí)，落煤與中部槽上方刮板的運(yùn)行速度相同，刮板會(huì)對(duì)落煤產(chǎn)生助推，是落煤的動(dòng)能增加，劇烈沖擊中部槽。

圖4 中部槽不同前傾角對(duì)應(yīng)的法向累計(jì)接觸能量Fig.4 Cumulative normal contact energy corresponding to different anteversion angles of the middle trough

4.3 應(yīng)用與討論

根據(jù)上述仿真計(jì)算的中部槽前傾角對(duì)沖擊損傷深度和法向累計(jì)接觸能量影響規(guī)律可以得出，刮板輸送機(jī)安裝布置時(shí)盡量布置成前傾角10°的上運(yùn)工況，此時(shí)落煤對(duì)中部槽產(chǎn)生的沖擊較小。

基于上述理論分析，在王坡煤業(yè)進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，將刮板輸送機(jī)布置為上運(yùn)工況，跟蹤記錄試驗(yàn)過程。結(jié)果顯示，刮板輸送機(jī)中部槽可靠工作時(shí)間為近5個(gè)月，未出現(xiàn)裂紋漏煤等問題。與先前刮板輸送機(jī)順勢(shì)布置相比，中部槽使用壽命延長(zhǎng)2個(gè)月，增加刮板輸送機(jī)有效運(yùn)行時(shí)間，保證了煤炭企業(yè)產(chǎn)煤量和效率，驗(yàn)證了仿真模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 語

中部槽作為刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)組成部件，直接承受落煤的沖擊，工作可靠性要求較高。針對(duì)王坡煤業(yè)3310綜采工作面SGZ764/630型刮板輸送機(jī)中部槽沖擊損傷問題，開展了中部槽不同前傾角對(duì)沖擊損傷深度和法向累計(jì)接觸能量的影響研究，仿真模擬結(jié)果表明，刮板輸送機(jī)中部槽有傾角時(shí)比無傾角時(shí)受到的落煤沖擊強(qiáng)度低，上行工況時(shí)比下行工況受到的落煤沖擊強(qiáng)度低。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，改進(jìn)了王坡煤業(yè)刮板輸送機(jī)布置形式，采用上行工況，有效增加了該礦刮板輸送機(jī)中部槽的使用壽命，取得了良好的應(yīng)用效果。