基于ANSYS Workbench刮板輸送機(jī)中部槽的結(jié)構(gòu)分析

胡瑾

（西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院，太原 030053）

0 引言

中部槽在刮板輸送機(jī)中起著貨載、支撐刮板鏈等重要作用，作為刮板輸送機(jī)的主要機(jī)身構(gòu)件，同時(shí)也為采煤機(jī)提供運(yùn)行軌道和為所運(yùn)輸?shù)奈锪咸峁┏休d，而中部槽自身的質(zhì)量可以占到刮板輸送機(jī)整機(jī)質(zhì)量的70%以上，在實(shí)際的工作運(yùn)行中，所輸送的物料、刮板輸送機(jī)自身的刮板、鏈條都會(huì)對(duì)中部槽產(chǎn)生一定的磨損，因此中部槽就成為了整個(gè)刮板輸送機(jī)中磨損量和使用量最大的消耗構(gòu)件。因此中部槽在工作運(yùn)行過程中的磨損程度直接決定了刮板輸送機(jī)的使用壽命[1]。

中部槽按其制造工藝可分為鑄造槽幫、熱軋槽幫，截面形狀主要有Σ型、M型和D型，采用焊接工藝將中板、封底板、兩側(cè)的槽幫及相配套的端頭連接件焊接組裝完成。根據(jù)需要承受和輸送的載荷，中部槽可以分為輕型、中型、重型。按本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為敞底式和封底式，按封底方式的不同可以分為整體式和分體式，按加工工藝可以分為壓制式、軋制式及鑄焊式；而中部槽可以根據(jù)不同的環(huán)境要求、工作狀況，進(jìn)行不同形式的組合分類，能夠滿足不同的實(shí)際工作情況。

在中部槽工作運(yùn)行中，一方面為輸送的物料提供支撐，另一方面為刮板鏈條提供軌道導(dǎo)向，同時(shí)還要承受液壓支架的推拉載荷，在不同的工況條件和工作環(huán)境下，刮板輸送機(jī)中部槽要受到刮板、鏈條、所運(yùn)輸?shù)牧鲃?dòng)物料所產(chǎn)生的動(dòng)載荷和摩擦，中部槽的工作場所往往在井下，在運(yùn)行使用時(shí)，井下會(huì)產(chǎn)生具有腐蝕性的廢水，從而加劇了中部槽的腐蝕，在實(shí)際的運(yùn)行生產(chǎn)過程中，工況的復(fù)雜和環(huán)境的惡劣這就對(duì)中部槽自身的強(qiáng)度、硬度、加工工藝條件、使用安全性能有更高的要求，而高錳鋼自身具有較好的耐磨性及一定的強(qiáng)度、硬度，往往被選為刮板輸送機(jī)中部槽的制作材料。

1 刮板輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)分析

刮板輸送機(jī)在煤礦井下工作運(yùn)行時(shí)，主要的工作任務(wù)是：一是為采煤機(jī)的煤層切割運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)行軌道；二是推動(dòng)整體的液壓支護(hù)支架靠近煤層移動(dòng)。因此刮板輸送機(jī)的運(yùn)行工況可以分為推流和拉架[2]。圖2為推溜工況下的示意圖。

圖1 刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)、液壓支架配套系統(tǒng)

圖2 推溜工作狀態(tài)示意圖

在綜采系統(tǒng)過程中，刮板輸送機(jī)的中部槽是主要的易損構(gòu)件，在整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械化采煤過程中，主要受到以下幾種載荷：

1）采煤機(jī)在進(jìn)行煤層切割的過程中，主要受到的載荷是：采煤機(jī)的重力、牽引力；煤塊對(duì)中部槽的沖擊力；與煤層底板的摩擦力、對(duì)中部槽的支撐力；在運(yùn)動(dòng)過程中煤與鏈條的摩擦力。

2）刮板輸送機(jī)在推溜工況時(shí)，受力的情況是：液壓支護(hù)支架底座的推移裝置對(duì)中部槽產(chǎn)生的推溜力，與啞鈴銷相連接的部位對(duì)其所產(chǎn)生的反作用力，在運(yùn)行過程中煤層對(duì)其底板、側(cè)板所產(chǎn)生的壓力和摩擦力[3]。

3）在切割煤層的過程中，主要受到來自煤層下落時(shí)對(duì)底板的沖擊力、在運(yùn)行過程中煤流、鏈條對(duì)底板所產(chǎn)生的摩擦力、采煤機(jī)的滾筒切入煤層時(shí)所產(chǎn)生的反作用力。

2 中部槽的結(jié)構(gòu)分析

本文首先在Solid Edge中對(duì)中部槽進(jìn)行三維實(shí)體建模，再對(duì)建好的模型進(jìn)行有限元分析，得到在不同的工況下中部槽載荷分布的受力情況，本次建模過程中主要對(duì)中部槽的左右槽幫、中板、底板及端頭的連接件進(jìn)行建模，對(duì)其進(jìn)行焊接工藝處理。擋煤板、銷排座等不是主要的承載構(gòu)件，在不影響分析精確度的前提下，對(duì)其進(jìn)行一定的簡化處理，所以再對(duì)中部槽進(jìn)行三維實(shí)體建模時(shí)，忽略了擋煤板、銷排座等構(gòu)件對(duì)模型的影響[4]。在Solid Edge中對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行三維建模時(shí)，對(duì)槽幫的倒角、圓角、凹槽等不影響整體結(jié)構(gòu)分析的局部細(xì)小構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮雎院秃喕?/p>

本次運(yùn)用ANSYS Workbench進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，將原先在Solid Edge中建立的中部槽三維模型（已簡化）導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析軟件中，選用六面體單元不僅便于建立復(fù)雜模型，還可以模擬多種接觸問題。不僅方便對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而且有利于中部槽的結(jié)構(gòu)分析。圖3、圖4為中部槽的實(shí)物照片和簡化后的三維實(shí)體模型。

圖3 中部槽的實(shí)物照片

圖4 中部槽的簡化模型

從劃分的網(wǎng)格圖中，可以看出在推移耳的位置有密集的網(wǎng)格分布和較集中的應(yīng)力，出現(xiàn)了不對(duì)稱的單元網(wǎng)格形狀，同時(shí)在實(shí)際的分析操作過程中，采用分割的方式時(shí)，在應(yīng)力比較集中的區(qū)域內(nèi)，可能會(huì)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，所以對(duì)結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確度造成一定的影響，在網(wǎng)格劃分中，此次中部槽的實(shí)體模型共有27 511個(gè)單元，50 457個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖5為中部槽的有限元模型。組成中部槽的各個(gè)部件存在一定的材料差異，主要體現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度上，在進(jìn)行有關(guān)的有限元分析計(jì)算時(shí)，由于彈性模量、泊松比的差異不大，對(duì)相關(guān)的技術(shù)分析參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)定。各構(gòu)件的彈性模量E=205 GPa，泊松比λ=0.3。材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

圖5 中部槽的網(wǎng)格劃分

3 中部槽的工況分析

3.1 在推溜工況下的結(jié)構(gòu)分析

在推溜工況時(shí)，施加的約束和載荷主要為：由鏟煤板的啞鈴銷座施加的與地面垂直的豎向載荷；由鏟煤板的槽幫、擋煤板的兩側(cè)施加的縱向載荷；來自液壓支架的推溜力[5]。經(jīng)過加載和分析，得到中部槽在推溜的工況下整體的應(yīng)力圖和應(yīng)變圖，如圖6、圖7所示。

圖6 推溜時(shí)中部槽的應(yīng)力云圖

圖7 推溜時(shí)中部槽應(yīng)變?cè)茍D

3.2 在拉架工況下的結(jié)構(gòu)分析

與推溜工況的不同之處在于：在拉架工況時(shí)，推移耳作用的位置和方向, 不能簡單地認(rèn)為拉架工況是推溜工況的反作用，所以在實(shí)際的綜采工作面操作時(shí)，拉架工況也是極為重要的，在結(jié)構(gòu)分析中，也要對(duì)拉架工況進(jìn)行相應(yīng)的模擬分析。

在ANSYS Workbench中，對(duì)導(dǎo)入的中部槽實(shí)體模型進(jìn)行分析得出：在實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)力的最大值發(fā)生在槽幫的推移耳處，從云圖可以看出，最大的應(yīng)力、應(yīng)變都處在安全的范圍之內(nèi)，并且還有很大的余量，因此在拉架的過程中中部槽處于安全的狀態(tài)，滿足生產(chǎn)的需求。圖8、圖9為拉架工況下的應(yīng)力、應(yīng)變圖。

圖8 拉架時(shí)中部槽應(yīng)力圖

圖9 拉架時(shí)中部槽應(yīng)變圖

通過對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽在不同工況下的結(jié)構(gòu)分析得出，影響中部槽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性的主要因素是在推移耳處所受到的應(yīng)力，因此強(qiáng)化推移耳的設(shè)計(jì)和加工工藝就尤為重要，為中部槽的改進(jìn)提供一定的數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié)語

在實(shí)際的井下綜采生產(chǎn)過程中，刮板輸送機(jī)發(fā)揮著舉足輕重的作用，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，由于中部槽的疲勞磨損和破壞，極易引起生產(chǎn)事故的發(fā)生，因此中部槽的設(shè)計(jì)和加工非常重要，本文采用Solid Edge對(duì)中部槽進(jìn)行實(shí)體建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench中對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到有限元模型，通過施加載荷和靜力學(xué)的結(jié)構(gòu)分析得出在推溜和拉架不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變圖，最后對(duì)兩個(gè)工況下應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在不同的工況下，中部槽的應(yīng)力、應(yīng)變變化主要取決于相對(duì)比較薄弱的推移耳的應(yīng)力變化，但這些變化都處在疲勞強(qiáng)度的允許范圍之內(nèi)，不會(huì)引起較大的破壞，此次分析也明確了刮板輸送機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行過程中需要注意的安全隱患，同時(shí)也為中部槽的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了方向。