刮板輸送機(jī)中部槽磨損分析

白志光

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)能源投資開發(fā)有限公司，山西 太原 030000）

引言

刮板輸送機(jī)作為煤礦綜采工作面的主要設(shè)備之一，在采煤機(jī)與液壓支架之間具有橋梁的作用。刮板輸送機(jī)的核心是中部槽，由于該設(shè)備長期經(jīng)受刮板、鏈條及煤炭等物料的磨損，中部槽的壽命成為了決定刮板輸送機(jī)壽命的主要因素[1]。趙云才建立了中部槽的摩擦學(xué)系統(tǒng)模型，理論分析得出了中部槽的磨損存在多種機(jī)制，通常為磨粒磨損和腐蝕磨損[2]；蔡柳研究了中部槽運(yùn)煤過程中磨損狀況，然而，對于設(shè)備本身之間部件的磨損研究較少[3]。因此，本文以刮板輸送機(jī)中部槽作為主要研究對象，采用數(shù)值模擬的方法對中部槽接觸表面的磨損情況進(jìn)行研究，獲得了表面粗糙面的變化規(guī)律。

1 模型的建立

刮板輸送機(jī)中部槽的部件在實(shí)際接觸過程中由于凹凸體的存在，并不是完全的面接觸狀態(tài)，而是粗糙的突起體之間的點(diǎn)接觸狀態(tài)。為了最大程度地還原中部槽部件間的摩擦滑動，采用隨機(jī)分布的方式創(chuàng)建粗糙接觸面，為便于分析，將中部槽摩擦副之間的磨損簡化為粗糙面與光滑面之間的摩擦，從而構(gòu)建接觸滑動模型，如圖1 所示，上部為粗糙實(shí)體，下部為光滑實(shí)體。模型的材料選擇上部粗糙部件為16 Mn，下部為40 Cr，其力學(xué)參數(shù)見表1。

為防止模擬過程中出現(xiàn)不收斂情況，上部粗糙實(shí)體M 采用四面體剖分網(wǎng)格，下部光滑體N 采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。邊界條件及加載形式采用在加載階段，對上部粗糙實(shí)體施加載荷P，其他部件表面均采用約束自由度的方式；滑動階段，其他表面的邊界條件不變，將下部實(shí)體沿X 方向約束接觸，并給予速度V。

圖1 粗糙接觸面模型

表1 材料參數(shù)表

1.1 不同階段接觸面積的變化

刮板輸送機(jī)中部槽工作過程中，影響結(jié)構(gòu)部件壽命主要因素在于其接觸面積以及接觸面上的應(yīng)力場分布狀況。為此，本文以有效接觸面積Ar與名義接觸面積An的比值為指標(biāo)來定量研究接觸面與二者的關(guān)系。

如圖2 所示，隨著時間的推移，結(jié)構(gòu)體表面接觸面積分為三個階段，依次為勻速增加段、快速增加段和穩(wěn)定階段。勻速增加段的產(chǎn)生主要是在加載初期隨著荷載增加，首先接觸的部位是較高凸體表面，由于荷載較小，此時接觸體僅發(fā)生彈性范圍內(nèi)的變形；隨著荷載增加，出現(xiàn)更多的凸體接觸，一部分凸體開始出現(xiàn)了塑性變形，另一部分依舊處于彈性變形階段，導(dǎo)致接觸面積迅速增加；第三階段接觸面積下降，是因?yàn)檩^大的載荷導(dǎo)致部分凸體水平應(yīng)變增加，擠壓了部分空間，使得接觸面積減小。

圖2 接觸面積隨時間變化曲線

為研究刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中的部件之間的摩擦狀況，分別計算了不同運(yùn)行速度和載荷條件下的接觸面積變化規(guī)律。通過圖3-1 可知，在載荷一定的情況下，運(yùn)行速率越大，接觸面積的波動越明顯，但其均值相差不大；而通過圖3-2 可知，在運(yùn)行速率一定的情況下，載荷的增加會導(dǎo)致接觸面積的增大，同時會使接觸面在運(yùn)行初期波動效應(yīng)減小。其原因在于，中部槽部件接觸面積的大小主要決定于上覆載荷所導(dǎo)致的接觸體變形量，運(yùn)行速率的增加會導(dǎo)致部件間接觸時間過短，凸體部分處于高頻率的變形過程中，從而導(dǎo)致接觸面積波動；而隨著載荷增加，將會導(dǎo)致凸體變形增大，部件間的接觸更加充分，因此導(dǎo)致運(yùn)行初期波動減小，接觸面積增加。

通過以上分析可知，在刮板輸送機(jī)運(yùn)行加載階段，部件間的接觸面積相對較小，因此會造成部件表面微凸體處的應(yīng)力集中，從而加速部件的磨損；進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，刮板運(yùn)行速率過大將導(dǎo)致部件間的接觸頻繁波動，同樣會導(dǎo)致磨損的加劇。同時，盡管載荷增加會使得部件間的接觸更快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但同時也會引起部件間摩擦力增大，從而引起部件磨損加快。

圖3 運(yùn)行過程中接觸面隨速度及載荷變化曲線

1.2 不同階段凸體表面應(yīng)力分布

刮板輸送機(jī)中部槽的磨損最根本原因在于部件之間的表面在外荷載作用下產(chǎn)生變形，以及摩擦生熱所產(chǎn)生的熱應(yīng)力加劇了部件的磨損程度。

通過分析圖4 中接觸體表面應(yīng)力分布云圖可知，在加載初期（30μs 前）接觸體表面的應(yīng)力分布區(qū)域隨著加載的進(jìn)行而不斷擴(kuò)大，并且高應(yīng)力區(qū)域主要分布在微凸體的尖端位置，這主要是由于在加載初期，上覆載荷的應(yīng)力主要有微凸體首先承載，隨著時間的增加，微凸體產(chǎn)生變形導(dǎo)致高應(yīng)力區(qū)域不斷增大；而進(jìn)入滑動運(yùn)行階段以后，由圖4-3、4-4 可知，結(jié)構(gòu)體表面應(yīng)力分布區(qū)域相差不大，但此時的高應(yīng)力區(qū)域已經(jīng)有微凸體的尖端向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，這主要是因?yàn)榉€(wěn)定運(yùn)行階段微凸體變形達(dá)到平衡，微凸體的變形使得接觸面變大，從而使得尖端兩側(cè)出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，繼而引起高應(yīng)力區(qū)域的轉(zhuǎn)移。

圖4 不同階段接觸體表面應(yīng)力（MPa）分布云圖

由此可知，長期不穩(wěn)定運(yùn)行將會導(dǎo)致刮板輸送機(jī)部件間的接觸面積反復(fù)波動，致使部件表面的應(yīng)力分布長期處于應(yīng)力集中的狀態(tài)，繼而導(dǎo)致刮板部件的磨損情況加劇。

2 結(jié)論

通過分析刮板輸送機(jī)中部槽在運(yùn)行過程中的不同階段接觸表面及部件內(nèi)部應(yīng)力分布可知：

1）在刮板輸送機(jī)的運(yùn)行的加載階段，部件間的接觸面積將不斷增加，接觸面積過小將會使得應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，從而加速部件之間的磨損，應(yīng)盡量縮短加載段到穩(wěn)定運(yùn)行段所需時間，從而減小部件磨損；

2）刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度過快將會導(dǎo)致部件間的接觸面積處于不斷波動的狀態(tài)，這種現(xiàn)象會加快部件的磨損；

3）刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中，加載段的凸體表面應(yīng)力分布相比運(yùn)行階段的應(yīng)力分布應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，會加快部件的磨損。