基于ABAQUS的SGZ1000型刮板機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)強度分析

原鵬程

（潞安化工集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036706）

刮板輸送機(jī)作為煤礦開采的關(guān)鍵設(shè)備，保證其設(shè)備的高效、安全運行，成為企業(yè)提高其煤礦開采效率的關(guān)鍵。由于井下環(huán)境的惡劣性，綜采工作面刮板輸送機(jī)在作業(yè)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)超負(fù)荷的作業(yè)狀態(tài)，加上其作業(yè)時間較長、外部無規(guī)律沖擊，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)出現(xiàn)了不同的結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。其中，中部槽作為該設(shè)備中的關(guān)鍵部件，經(jīng)常出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)變形或結(jié)構(gòu)開裂等現(xiàn)象。中部槽一旦出現(xiàn)失效現(xiàn)象，將使刮板輸送機(jī)處于停機(jī)維修，這將大大降低煤礦的開采效率。為此，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究，掌握其結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及薄弱部位，成為當(dāng)前提高部件使用壽命的重要方向。因此，本文通過建立SGZ1000型刮板輸送機(jī)中部槽仿真模型，開展對其結(jié)構(gòu)的性能研究，提出了其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 刮板輸送機(jī)特點分析

礦用刮板輸送機(jī)作為煤礦開采中的重要設(shè)備，可將其結(jié)構(gòu)分為機(jī)頭段、中間段、過渡段、機(jī)尾段等部分。其工作原理為：通過電機(jī)、減速器等傳動裝置，將動力傳輸至溜槽上，帶動機(jī)頭和機(jī)尾上的鏈輪組進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)，所運物料則從刮板輸送機(jī)的機(jī)尾傳遞至機(jī)頭，最終輸送至轉(zhuǎn)載機(jī)上，整套傳動系統(tǒng)的是否正常運行，將直接影響煤礦的生產(chǎn)效率。中部槽作為刮板輸送機(jī)中的重要部件，其結(jié)構(gòu)主要由中板、底板、鏟板槽幫、聯(lián)結(jié)板、擋板槽幫、軌座等部件組成，見圖1。在其使用過程中，鏟板槽幫能有效保證采煤機(jī)的安全運行，并為其提供有力支撐，中板則是煤礦運輸?shù)倪\載體。在中部槽設(shè)計過程中，要求其結(jié)構(gòu)具有良好的耐磨性及足夠的結(jié)構(gòu)強度，但在其使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、接觸面磨損嚴(yán)重等問題，見圖2。這些問題的頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響著刮板輸送機(jī)的高效運行作業(yè)。為此，對中部槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級改造設(shè)計，成為當(dāng)前研究的重點任務(wù)。

圖1 中部槽結(jié)構(gòu)組成

圖2 中部槽現(xiàn)場失效

2 中部槽仿真模型建立

2.1 三維模型建立

以SGZ1000型刮板輸送機(jī)為研究對象。為進(jìn)一步掌握中部槽在作業(yè)過程中的結(jié)構(gòu)強度，采用Solidworks軟件，按照1：1的模型比例，對其進(jìn)行了三維建模。在模型建立中，為使其結(jié)構(gòu)的分析具有更高的仿真精度，對中部槽中的圓角、倒角、較小圓孔等非關(guān)鍵特征進(jìn)行模型簡化，僅保留了中部槽中鏟板槽幫、軌座、擋板槽幫等部件，同時，模型的過渡圓弧也設(shè)置成了直角。其三維模型見圖3。

圖3 中部槽三維模型

2.2 仿真模型建立

采用ABAQUS軟件，將建立的中部槽三維模型轉(zhuǎn)換為stp格式后，導(dǎo)入至該軟件中，對其進(jìn)行仿真模型建立。中部槽采用的是Q345材料，故在軟件中對Q345材料進(jìn)行了屬性設(shè)置，使得材料的屈服強度達(dá)到345 MPa，材料的主要指標(biāo)見表1。由于中部槽的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，故需對其進(jìn)行布爾分割劃分，并采用Solid實體單元模型，四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，對軌座進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，中部槽的網(wǎng)格劃分見圖4。根據(jù)中部槽的實際安裝工況，對其在不同工況條件下進(jìn)行了固定約束，在完成其他參數(shù)設(shè)置基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對中部槽仿真模型的建立。

圖4 中部槽網(wǎng)格劃分

表1 Q345材料主要參數(shù)值

3 中部槽不同工況下結(jié)構(gòu)強度分析

鑒于刮板輸送機(jī)中部槽在實際使用中具有多種工況，為掌握其結(jié)構(gòu)的綜合性能，對其在拉架工況及推溜工況下的結(jié)構(gòu)強度變化情況進(jìn)行了分析研究。

3.1 拉架工況下強度變化分析

中部槽在拉架工況下，受到的約束載荷力主要來自于液壓支架施加的拉架作用力、鏟板槽幫凸頭受到的相近的凹頭側(cè)的作用力等，而中部槽中部則受到垂直于工件的作用力。故在工況下主要在中部的推移鉸耳上施加900 kN的拉架作用力。

經(jīng)過仿真分析，得到中部槽在此工況下的應(yīng)力變化圖，見圖5。由圖可知，中部槽整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，中部槽的中間區(qū)域應(yīng)力相對集中，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在鏟板槽幫的凸端頭上，達(dá)到了399.9 MPa，超過了材料的屈服強度345 MPa，并沿著中部槽四周，應(yīng)力值呈逐漸減小的變化趨勢。中部槽的底板及中板也出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析其原因為：由于中部槽中間推移鉸耳處受到較大的拉力作用，作用力通過各機(jī)械結(jié)構(gòu)，傳遞至了各部件上。由此，找到了中部槽鏟板槽幫的凸端頭為其薄弱部位。

圖5 拉架工況下中部槽應(yīng)力變化

3.2 推溜工況下強度變化分析

中部槽的推溜工況即為：中部槽受到外部推力作業(yè)在接觸面上進(jìn)行滑動移動。通過仿真分析，得到了中部槽在推溜工況下的應(yīng)力變化，見圖6。由圖可知，中部槽整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，中部槽上的鏟板槽幫凸端頭上也同樣出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為356.1 MPa，其最大應(yīng)力集中區(qū)域與拉架工況基本相同，與拉架工況下相比，雖最大應(yīng)力值有所降低，但也超過了材料的屈服強度345 MPa；而中部槽的軌座、中板、底板也出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中。由此可知，中部槽鏟板槽幫的凸端頭在推溜工況下仍是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在實際使用中，應(yīng)重點關(guān)注此區(qū)域的結(jié)構(gòu)變形情況，保證其結(jié)構(gòu)的正常、安全使用。

圖6 推溜工況下中部槽應(yīng)力變化

4 中部槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

1）增加中部槽的鏟板槽幫結(jié)構(gòu)厚度2 mm左右，可根據(jù)實際情況進(jìn)行分析設(shè)計，并將端頭上口進(jìn)行焊接封死，也可在鏟板槽幫的凸端頭附近不影響其操作功能情況下，焊接加強筋板，以提升該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度，見圖7。

圖7 改進(jìn)后的中部槽三維

2）對中部槽的啞鈴窩進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強，改變此處的生產(chǎn)制造工藝。

3）將中部槽的材料改為Q460，使其材料的屈服強度增加至460 MPa，并在其部件生產(chǎn)過程中，對關(guān)鍵受力部位進(jìn)行調(diào)質(zhì)、淬火的熱處理，以提升其結(jié)構(gòu)強度。

4）在中部槽上應(yīng)力集中區(qū)域開設(shè)直徑為2 mm的通孔，使得其集中的應(yīng)力能轉(zhuǎn)移至通孔處，降低中部槽上的最大集中應(yīng)力值，保證其結(jié)構(gòu)強度。

5 結(jié)語

結(jié)合SGZ1000型刮板輸送機(jī)中部槽特點，利用ABAQUS軟件，開展了中部槽的結(jié)構(gòu)性能分析，得出：中部槽鏟板槽幫的凸端頭是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，找到其結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，提出了中部槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施。這對提高中部槽的使用壽命及刮板輸送機(jī)的作業(yè)效率具有重要指導(dǎo)意義。