刮板輸送機(jī)中部槽多區(qū)域輸運(yùn)狀態(tài)預(yù)測

李 博，未 星，夏 蕊，王學(xué)文

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司 博士后科研工作站，山西 太原 030031)

0 引 言

刮板輸送機(jī)是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，中部槽作為刮板輸送機(jī)的軀干，其性能、可靠程度和壽命是綜采工作面正常生產(chǎn)和取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的重要保障[1]。中部槽工作條件惡劣，長期運(yùn)行過程中，煤、矸石以及刮板鏈的摩擦作用導(dǎo)致中板和槽幫磨損嚴(yán)重，單一采煤工作面產(chǎn)量和巷道長度的不斷增加，使得磨損加劇[2-3]。因此，研究中部槽的輸運(yùn)過程，對改善中部槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高中部槽耐磨性，減少刮板輸送機(jī)運(yùn)行故障具有重要意義。現(xiàn)階段對于刮板輸送機(jī)性能的研究，主要集中于動(dòng)力學(xué)特性方面，眾多學(xué)者對刮板輸送機(jī)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，然而，這些研究較少涉及到煤散料的運(yùn)輸狀態(tài)和力學(xué)行為[4-5]。WANG 等[6-7]在不同輸運(yùn)速度、輸運(yùn)角度、給料速度以及采高等工況下，研究了煤散料粒徑和速度在刮板輸送機(jī)上的分布情況。蔡柳等[8-9]應(yīng)用仿真分析的方法研究了煤散料在中部槽內(nèi)的分布狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特性，并對中部槽的應(yīng)力及變形特性進(jìn)行了分析。

刮板輸送機(jī)中部槽的磨損失效引起了學(xué)者的高度重視，為進(jìn)一步提高使用壽命，國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠商及學(xué)者對中部槽材料、工藝及結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了大量的研究[10]。KRAWCZYK等[11]對中板材料Hardox450進(jìn)行了研究，與高錳鋼相比，Hardox450在制造工藝、耐磨性能、以及刮板鏈的磨損壽命方面都表現(xiàn)出更好的綜合性能。葛世榮等[2]研究發(fā)現(xiàn)在煤礦刮板輸送機(jī)的應(yīng)用中，熱軋中錳鋼比傳統(tǒng)馬氏體耐磨鋼表現(xiàn)出更好的抗沖擊磨料磨損性能。有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)室磨粒磨損試驗(yàn)，從摩擦副材料或磨料的角度研究其與磨損的關(guān)系[12]。實(shí)驗(yàn)室磨粒磨損試驗(yàn)的研究結(jié)果雖有助于研究者對中部槽磨損機(jī)理的認(rèn)識，但試驗(yàn)的涵蓋面有限，所研究的影響因素較少，缺乏與井下實(shí)際工況的匹配，使得理論在推廣和應(yīng)用中受到一定的局限。

井下刮板輸送機(jī)工況環(huán)境惡劣、工作條件復(fù)雜，傳感器布置、數(shù)據(jù)采集等相關(guān)工作具有一定風(fēng)險(xiǎn)，難以直接開展刮板輸送機(jī)輸運(yùn)狀態(tài)的監(jiān)測與磨損預(yù)測工作，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的試驗(yàn)平臺(tái)難以準(zhǔn)確再現(xiàn)煤散料在中部槽的輸送狀態(tài)，更加難以獲得煤散料與中部槽摩擦磨損狀態(tài)和力學(xué)作用的關(guān)系。應(yīng)用離散元法對中部槽多區(qū)域運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，將中部槽的研究放到了實(shí)驗(yàn)室可操作水平，為準(zhǔn)確模擬中部槽上煤散料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析工作狀態(tài)下中部槽與煤散料的相互作用力，研究中部槽磨損提供了新的思路。傳統(tǒng)的有限元法將介質(zhì)看做連續(xù)體進(jìn)行仿真分析，對于大量松散物料的運(yùn)動(dòng)及接觸作用研究并不適用，而離散元法在該方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢[13-14]。煤散料作為一種典型的散體材料，其與刮板輸送機(jī)中部槽之間的耦合作用可通過離散元法進(jìn)行數(shù)值分析[15]。應(yīng)用離散元法能夠較真實(shí)地反映煤散料輸運(yùn)狀態(tài)，甚至可以替代實(shí)際的刮板輸送機(jī)輸運(yùn)過程，使研究人員能夠發(fā)現(xiàn)很多試驗(yàn)中無法觀察到的中部槽工作狀態(tài)，并且可針對不同工況進(jìn)行相應(yīng)模擬分析，大幅降低研發(fā)成本。在相關(guān)研究方面有學(xué)者應(yīng)用離散元法進(jìn)行了一定程度的探索[16-17]，但所采用煤散料模型還需進(jìn)一步細(xì)化。在實(shí)際運(yùn)行過程中，中部槽中板不同區(qū)域的磨損程度有較大差異[18]，而現(xiàn)階段的耐磨強(qiáng)化并沒有進(jìn)行精細(xì)化分區(qū)域處理，因此，對不同區(qū)域還需進(jìn)行更加細(xì)化的輸運(yùn)狀態(tài)預(yù)測。

基于上述相關(guān)研究情況，筆者通過煤散料參數(shù)測定，驗(yàn)證離散元微觀參數(shù)，構(gòu)建了煤散料與刮板輸送機(jī)中部槽的離散元耦合模型，應(yīng)用離散元法預(yù)測不同載荷及含矸條件下中部槽不同區(qū)域的輸運(yùn)狀態(tài)，可為不同礦井條件下中部槽不同區(qū)域耐磨強(qiáng)化處理及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 理論模型

1.1 顆粒間接觸模型

所采用的煤散料顆粒之間的接觸模型為Hertz-Mindlin(no slip)模型，該模型可準(zhǔn)確高效地計(jì)算顆粒間的接觸與碰撞問題。在該模型中，法向分量基于Hertzian 接觸理論,切向力模型基于Middlin Middlin-Deresiewicz的研究[19]。

顆粒間法向接觸力Fn為

(1)

式中：E*為等效彈性模量；R*為等效粒子半徑；α為法向重疊量。

顆粒間切向接觸力Ft為

Ft=-Stδ

(2)

式中：St為切向剛度；δ為切向重疊量。

1.2 顆粒與中部槽間的接觸模型

研究煤散料摩擦和沖擊對中部槽造成的磨損時(shí)，在Hertz-Mindlin模型基礎(chǔ)上，選用Archard Wear模型用以分析中部槽磨損量，選用Relative Wear模型預(yù)測磨損發(fā)生區(qū)域。Archard Wear模型的思想是幾何體表面材料的磨損量與顆粒經(jīng)過幾何體表面所作的摩擦功成比例，理論模型如下

Q=WFndt

(3)

式中：Q為移除材料的體積；Fn為法向接觸力；dt為切向移動(dòng)距離；W為初始磨損常數(shù)。

Relative Wear模型的磨損特性評價(jià)指標(biāo)是法向和切向能量，分別衡量由于材料沖擊和滑移導(dǎo)致的累積能量，理論公式如下

(4)

(5)

式中：En為法向能量；Et為切向能量;t為累積時(shí)間;Ft為切向接觸力;vn為法向相對速度;vt為切向相對速度。

1.3 刮板(鏈條)-煤散料-中板接觸分析

刮板輸送機(jī)工作時(shí)，受鏈條牽引的刮板在中部槽上循環(huán)往復(fù)，將采煤機(jī)開采下來的煤散料源源不斷地向前輸送。刮板有一定的特殊結(jié)構(gòu)，保證了刮板輸送機(jī)的輸送效率，根據(jù)井下煤散料的輸運(yùn)狀態(tài)，大多數(shù)煤散料依靠顆粒間力的傳遞作用向前運(yùn)動(dòng)，而部分與刮板(鏈條)和中板同時(shí)接觸的煤散料，在刮板(鏈條)的擠壓作用下向前運(yùn)動(dòng)，對中板表面產(chǎn)生微切削和犁溝作用，導(dǎo)致中板表面材料損失。刮板和鏈條擠壓的煤顆粒在與中板接觸時(shí)力學(xué)作用關(guān)系更復(fù)雜，理論上載荷也相較于煤顆粒與中板直接接觸時(shí)更大，因而會(huì)對中板產(chǎn)生劇烈磨損。

2 煤散料與刮板輸送機(jī)中部槽的離散元耦合模型構(gòu)建

2.1 煤散料顆粒參數(shù)及模型顆粒間接觸模型

試樣選用陜西神木的長焰煤，該煤的煤化度低，燃燒時(shí)火焰長，主要作為動(dòng)力和化工用煤。煤散料參數(shù)對離散元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要影響，其仿真分析所需參數(shù)主要包括2類：①煤散料本征參數(shù)，包括剪切模量、泊松比、密度，這是由材料本身特性決定的，可通過試驗(yàn)進(jìn)行測定；②煤散料接觸參數(shù)，包括恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)，受材質(zhì)、形狀等因素影響較大，因此，接觸參數(shù)通過試驗(yàn)或者虛擬仿真標(biāo)定的方式進(jìn)行測定。

為兼顧仿真準(zhǔn)確性及仿真計(jì)算效率，煤散料參數(shù)來自于煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對該煤種前期研究測定結(jié)果[20]，建立的煤散料模型為一種10球組合模型，如圖1所示，EDEM仿真所需煤散料參數(shù)如下：

鋼剪切模量/Pa8×1010鋼泊松比0.3鋼密度/(kg·m-3)7850煤剪切模量/Pa4.7×108煤泊松比0.3煤密度/(kg·m-3)1229煤與鋼恢復(fù)系數(shù)0.65煤與煤恢復(fù)系數(shù)0.64煤與鋼靜摩擦因數(shù)0.46煤與煤靜摩擦因數(shù)0.329煤與鋼滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.032煤與煤滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.036

圖1 煤散料模型Fig.1 Coal bulk model

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 煤散料流動(dòng)性驗(yàn)證

煤散料在刮板輸送機(jī)上的運(yùn)動(dòng)形態(tài)與顆粒的流動(dòng)性密切相關(guān)。煤散料與耐磨板之間接觸作用，通過滑板試驗(yàn)產(chǎn)生堆積角。仿真與真實(shí)試驗(yàn)得到的煤散料堆積角數(shù)值差異為1.3%，表明仿真與試驗(yàn)堆積輪廓形態(tài)曲線擬合較好，說明所建立模型在顆粒流動(dòng)性方面與真實(shí)情況相符。

2.2.2 耐磨板磨損驗(yàn)證

刮板輸送機(jī)實(shí)際輸運(yùn)過程中煤散料與中部槽之間的磨損由三體磨損(刮板-原煤-中板，或圓環(huán)鏈-原煤-中板)與兩體磨損(原煤-中板)構(gòu)成，為盡可能真實(shí)地反映煤散料與中部槽之間的接觸及磨損狀態(tài)，設(shè)計(jì)了ML-100C型磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)(圖2a)。上試樣擬采用刮板材料，下試樣為中板材料，裝滿煤散料的料槽在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上試樣一側(cè)擬設(shè)計(jì)為斜面結(jié)構(gòu)，上下試樣即與夾在它們之間的煤散料形成三體磨損，其余的煤散料與中板材料間形成兩體磨損。

在料槽中裝入粒徑為5 mm的長焰煤散料，在磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上對NM360耐磨鋼進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，刮板試樣位置處線速度為0.7 m/s，建立相同的三維模型進(jìn)行離散元法仿真分析(圖2b)。通過觀察中板試樣實(shí)際磨損位置與磨損特征，并與仿真中磨損深度分布圖相比較，可以判斷2者磨損部位基本相同，都是在刮板試樣下方形成與刮板試樣寬度相近的磨損(圖3a、3b)。由于三體磨損具有一定條件，中板試樣發(fā)生明顯的不均勻磨損，表現(xiàn)為中板試樣不同位置下磨損深度和磨損寬度均不相同。仿真磨損深度分布局部放大如圖3c所示，實(shí)際磨損形貌的局部放大如圖3d所示，經(jīng)過8 h的實(shí)際磨損試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)不同位置磨損深度和磨損寬度不同；仿真結(jié)果與實(shí)際磨損位置和磨損特征相一致。

圖2 磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)Fig.2 Abrasive wear testing machine

圖3 中板試樣仿真與實(shí)際磨損對比Fig.3 Comparison between simulation and actual wear of medium plate sample

綜上，通過仿真和實(shí)際堆積角試驗(yàn)的對比，驗(yàn)證了所構(gòu)建的顆粒模型可以對實(shí)際煤顆粒準(zhǔn)確模擬，同時(shí)也說明了離散元法在研究顆粒運(yùn)動(dòng)方面具有可行性；將仿真和實(shí)際中板磨損形貌進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在磨損特征和磨損位置具有很強(qiáng)的一致性，驗(yàn)證了磨損模型的正確性。

3 中部槽輸運(yùn)狀態(tài)預(yù)測

對于中部槽輸運(yùn)狀態(tài)的預(yù)測包括顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)形態(tài)、中板磨損，以及中部槽受力預(yù)測。在實(shí)際生產(chǎn)中，刮板輸送機(jī)的運(yùn)載情況由于礦井條件不同而有所不同，滿載情況下輸送狀態(tài)正常，開采不足導(dǎo)致中部槽承載煤散料變少，而超載會(huì)發(fā)生煤散料大量濺落出中部槽，同時(shí)煤散料輸運(yùn)狀態(tài)也變得復(fù)雜。本研究所用刮板輸送機(jī)型號為SGZ880/800，設(shè)定滿載情況下中部槽的輸送量為220 kg/s，鏈速為1.1 m/s。在磨損仿真時(shí)，取煤和NM360耐磨鋼之間的磨損常數(shù)為0.8×10-12m2/N，仿真時(shí)間步長設(shè)定為瑞利時(shí)間步長的25%。

為研究中部槽中板不同區(qū)域的差異，根據(jù)鏈條在中板上的位置，將中板劃分為3個(gè)區(qū)域，5個(gè)部分，具體區(qū)域劃分及各個(gè)區(qū)域的尺寸如圖4a所示，刮板鏈左右兩側(cè)靠近槽幫的部分為區(qū)域1，鏈條下面的部分為區(qū)域2，兩鏈條之間的部分為區(qū)域3。在滿載輸送的情況下，所有中板區(qū)域均處于煤散料環(huán)境中。如圖4a所示，將O點(diǎn)定義為空間坐標(biāo)原點(diǎn)，XC方向定義為X軸的正方向，ZC方向定義為Z軸的正方向，垂直紙面向里的方向定義為Y軸的正方向。5節(jié)中板總體長度為7 500 mm，中板寬度為668 mm。刮板模型如圖4b所示。

圖4 中部槽幾何模型Fig.4 Geometric model of middle trough

3.1 煤散料運(yùn)動(dòng)學(xué)形態(tài)預(yù)測

在中部槽100%負(fù)載及正常速度(1.1 m/s)條件下進(jìn)行煤散料整體運(yùn)動(dòng)學(xué)形態(tài)分析，采煤機(jī)落煤有一定的初速度，煤散料速度在與中部槽的沖擊作用下會(huì)有較大的變化，煤顆粒發(fā)生較大面積的飛濺，煤散料在刮板與鏈條作用下向前輸送一定距離后，煤散料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于平穩(wěn)，其速度也接近于鏈速。對中部槽不同區(qū)域內(nèi)煤散料的質(zhì)量分布情況進(jìn)行研究，同時(shí)對60%負(fù)載、100%負(fù)載和140%負(fù)載3組情況下中部槽的堆積形貌進(jìn)行分析。

3.2 中部槽中板磨損預(yù)測

在煤礦開采過程中，刮板和鏈條由鏈輪驅(qū)動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，中部槽發(fā)生由“煤散料-中板”磨損形成的兩體磨損，以及由“刮板/鏈條-煤散料-中板”磨損形成的三體磨損。EDEM中以平均磨損深度表征磨損量，根據(jù)實(shí)際的輸運(yùn)量，分別在60%、80%、100%、120%和140%負(fù)載狀態(tài)下研究運(yùn)載情況對中部槽磨損的影響。同時(shí)在含矸率0、5%、10%、15%、20%和25%六種情況下研究含矸率對中部槽磨損的影響，并對中部槽中板不同區(qū)域的磨損進(jìn)行研究。

3.3 中部槽受力預(yù)測

由經(jīng)典的Archard模型可知，在磨粒磨損狀態(tài)下，法向載荷是影響磨損量的主要因素之一。在刮板和鏈條輸送煤散料的過程中，由于刮板特殊的幾何構(gòu)造、刮板和槽幫小間隙的配合關(guān)系，使得煤散料在輸送過程中與中部槽間受力關(guān)系復(fù)雜。針對100%負(fù)載條件下不同區(qū)域的法向載荷與不同負(fù)載(60%、100%和140%負(fù)載)下區(qū)域2的法向載荷進(jìn)行分析。

4 結(jié)果分析

4.1 煤散料運(yùn)動(dòng)學(xué)形態(tài)

4.1.1 煤散料整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)分析

將中部槽在X軸方向原點(diǎn)處橫向剖切，8 s時(shí)刻，煤散料整體的速度如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，生成的煤散料具有一定的初速度，速度約1.25 m/s，在與中部槽發(fā)生碰撞之后，煤散料速度減小到0.6 m/s左右，隨著煤散料在刮板和鏈條的作用下向前輸運(yùn)，煤散料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于平穩(wěn)，煤散料速度也越來越接近鏈速1.1 m/s。

圖5 煤散料整體的速度云圖Fig.5 Velocity nephogram diagram of coal bulk

將中部槽在X軸方向-133 mm處橫向剖切，8 s時(shí)刻不同質(zhì)量的煤散料分布如圖6所示，以刮板頂部區(qū)分煤散料上下層，圖中以虛線分隔。

圖6 不同質(zhì)量的煤散料分布Fig.6 Distribution map of bulk coal with different masses

由于所有煤散料密度相同，所以質(zhì)量越大，煤散料體積也越大?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著煤散料向前輸送，越來越多體積小的煤散料運(yùn)動(dòng)到下層，體積大的煤散料運(yùn)動(dòng)到上層，同時(shí)由于靠近刮板底部的部分，煤散料振蕩作用較為強(qiáng)烈，可以發(fā)現(xiàn)有較多的體積小的顆粒堆積。速度矢量圖以箭頭方向表示煤顆粒速度方向，不同質(zhì)量的顆粒仍以顏色區(qū)分，可以發(fā)現(xiàn)，在這一時(shí)刻下，經(jīng)過刮板的振蕩作用后，體積較大的煤顆粒有向上層運(yùn)動(dòng)的趨勢。“巴西果效應(yīng)”是散料的一種特有性質(zhì)，主要表現(xiàn)為：散料在振蕩情況下，體積比較大的顆粒會(huì)上升到表層，而較小的顆粒會(huì)沉降到底部。這也說明了輸送中的煤散料在振蕩作用后具有“巴西果效應(yīng)”。

4.1.2 不同區(qū)域煤散料質(zhì)量分布

將中部槽在Y軸方向5 050 mm處橫向剖切，根據(jù)圖4a中板所劃分的區(qū)域，在EDEM中處理后導(dǎo)出中板上方各個(gè)區(qū)域的煤散料質(zhì)量，單位面積上方的煤散料質(zhì)量為區(qū)域內(nèi)煤散料總質(zhì)量與區(qū)域面積的比值。

該剖切面上的煤散料速度分布如圖7a所示，可以發(fā)現(xiàn)，煤散料在區(qū)域3堆積最高，堆積高度向兩側(cè)逐漸遞減。中板上方各個(gè)區(qū)域煤散料速度在1.1 m/s左右，尤其在煤散料底層靠近中板處，煤散料速度基本一致，只有區(qū)域1中少部分煤顆粒因?yàn)闉R落到槽幫上，速度有所降低，所以可以不考慮煤散料在不同區(qū)域速度不同對中板磨損造成的影響。不同區(qū)域下單位面積上方煤散料質(zhì)量如圖7b所示，質(zhì)量分布情況與圖7a的堆積形貌基本一致，區(qū)域3單位面積上方煤散料質(zhì)量最大，區(qū)域1單位面積上方煤散料質(zhì)量最小，僅占區(qū)域3的74.32%，可見不同區(qū)域之間的單位面積上方煤散料質(zhì)量差異較大。

4.1.3 不同負(fù)載下的堆積形貌

中部槽在Y軸方向5 050 mm處進(jìn)行橫向剖切，不同負(fù)載下的煤散料堆積形貌與質(zhì)量分布如圖8所示，堆積高度依次為346、367和361 mm，可以發(fā)現(xiàn)3種負(fù)載下，煤散料堆積形貌差異明顯，尤其是60%滿載狀態(tài)下煤散料堆積明顯不足，100%負(fù)載和140%負(fù)載堆積高度相近，但140%負(fù)載堆積狀態(tài)下，體積大的顆粒明顯少于100%負(fù)載狀態(tài)，而體積小的顆粒明顯更多，這是由于140%負(fù)載堆積狀態(tài)下，由于“巴西果效應(yīng)”，煤散料輸送過程中，較大的煤顆粒運(yùn)動(dòng)到上層濺落到槽幫計(jì)算域外。

圖8 不同負(fù)載下的煤散料堆積形貌與質(zhì)量分布Fig.8 Morphology and mass distribution of bulk coal under different loads

4.2 中部槽中板磨損預(yù)測結(jié)果分析

4.2.1 不同工況下的磨損量

刮板輸送機(jī)的負(fù)載情況根據(jù)采煤機(jī)的開采條件和礦井的開采需求而有所不同，對中部槽磨損的影響也不同。刮板輸送機(jī)的輸送量越大，中部槽的整體負(fù)載增加，由煤散料直接產(chǎn)生的法向載荷會(huì)增加；負(fù)載越大，中部槽整體受力情況就越復(fù)雜，與中板直接接觸的煤顆粒就越密實(shí)，刮板(鏈條)對煤顆粒的擠壓作用力更大，刮板(鏈條)和中板間夾雜煤顆粒對中板形成劇烈磨損的概率會(huì)增加。

矸石作為一種比煤硬度更大的硬質(zhì)顆粒，相同的作用環(huán)境下，相較于煤對中部槽的刮擦作用更為嚴(yán)重，容易對中部槽造成更為嚴(yán)重的磨損。不同礦井下煤散料的含矸率也有很大的不同，含矸率越大，矸石直接與中板接觸，對中板造成磨損的概率也越大；含矸率越大，越容易在刮板(鏈條)和中板間夾雜矸石，對中部槽造成劇烈磨損的概率也越大。

不同負(fù)載下的平均磨損深度如圖9a所示，可以發(fā)現(xiàn)，平均磨損深度與運(yùn)載量之間的關(guān)系存在波動(dòng)，但基本上運(yùn)載量越大，平均磨損深度越大，其中負(fù)載140%的磨損量為負(fù)載60%的3.49倍左右。這是由于運(yùn)載量越大，兩體磨損狀態(tài)下，與中板接觸的煤散料所受的法向載荷越大，三體磨損狀態(tài)下，法向載荷與發(fā)生三體磨損的概率都會(huì)越大，這導(dǎo)致中部槽的磨損量也越大。

由于三體磨損的發(fā)生需要滿足一定的條件，即：處于刮板(或鏈條)和中板之間的煤散料，同時(shí)受刮板(或鏈條)和中板的作用，當(dāng)煤顆粒處于一定的位置和姿態(tài)時(shí)，三體磨損才會(huì)發(fā)生，這就導(dǎo)致了三體磨損發(fā)生的隨機(jī)性和不連續(xù)性。如圖9a中100%負(fù)載情況，與運(yùn)載量越大平均磨損量越大的趨勢不一致，可以判斷100%負(fù)載情況下，隨機(jī)發(fā)生的三體磨損情況較少，導(dǎo)致磨損量偏小。

圖9 不同工況下的平均磨損深度Fig.9 Average wear depth under different working conditions

不同含矸率下的平均磨損深度如圖9b所示，可以發(fā)現(xiàn)，含矸率與中部槽磨損量具有顯著的線性關(guān)系(R2=0.931 5)，含矸率越大，中部槽的磨損量也越大，含矸率25%的煤散料對中部槽的磨損量是不含矸的4.11倍左右。這是由于矸石密度大于煤，所以矸石本身質(zhì)量比煤顆粒質(zhì)量大，增大了摩擦副接觸時(shí)的法向載荷，同時(shí)矸石的硬度比煤的硬度大，更容易對中部槽造成磨損。

4.2.2 不同區(qū)域下中板磨損情況分析

在100%滿載情況下，8 s時(shí)刻，不同區(qū)域的磨損深度云圖如圖10a所示，真實(shí)的中部槽磨損如圖10b所示，不同區(qū)域下的平均磨損深度如圖10c所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：區(qū)域2的平均磨損深度最大，區(qū)域1次之，區(qū)域3最小，區(qū)域2的平均磨損深度明顯大于區(qū)域1和區(qū)域3，區(qū)域2的平均磨損深度為區(qū)域3的9.62倍，區(qū)域1和區(qū)域3的平均磨損深度差別不大，在所有中板區(qū)域，兩體磨損造成的磨損量差異不大，磨損主要是由三體磨損造成的，刮板鏈正下方的區(qū)域2既發(fā)生“刮板-煤散料-中板”形成的三體磨損，又有“鏈條-煤散料-中板”形成的三體磨損，而刮板間隔分布，區(qū)域1和區(qū)域3僅發(fā)生“刮板-煤散料-中板”形成的三體磨損，所以鏈條正下方磨損最為嚴(yán)重，這與真實(shí)中部槽的磨損情況相一致。

圖10 中部槽磨損Fig.10 Wear of middle trough

不同時(shí)刻下磨損形貌與顆粒位置追蹤如圖11所示，圖11a、圖11b分別為7.9 s和8 s時(shí)刻磨損形貌與顆粒位置，劃痕1、2、3、4分別是由處于區(qū)域1的顆粒1、處于區(qū)域3的顆粒2、處于區(qū)域2的顆粒3、處于區(qū)域2 的顆粒4造成的，可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過0.1 s刮板和鏈條由位置1運(yùn)動(dòng)到位置2，鏈環(huán)a和鏈環(huán)b下的顆粒4造成的較淺劃痕在經(jīng)過刮板下的顆粒3繼續(xù)磨損后，磨損量變大。因此，區(qū)域2既發(fā)生“刮板-煤散料-中板”形成的三體磨損，又有“鏈條-煤散料-中板”形成的三體磨損，這也導(dǎo)致了刮板鏈下方區(qū)域2的磨損量最大；而劃痕1和劃痕2都是在顆粒1和顆粒2經(jīng)過后第一次形成，所以說區(qū)域1和區(qū)域3僅發(fā)生“刮板-煤散料-中板”形成的三體磨損，造成的磨損量較小。

圖11 不同時(shí)刻下磨損形貌與顆粒位置Fig.11 Wear morphology and particle position at different times

4.3 煤散料與中部槽受力情況分析

刮板輸送機(jī)工作時(shí)，雙排鏈條在整個(gè)中板表面完全排布，而刮板在中板表面間隔排布，鏈條起牽引作用，刮板起主要的輸送作用。根據(jù)圖4中刮板(鏈條)與中部槽的配合關(guān)系，以及圖5刮板與煤散料的位置關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)：刮板處于中部槽V型槽幫內(nèi)側(cè)，與中部槽配合比較緊密，刮板在煤散料下層參與煤散料輸送，而且為了保證輸送效率，刮板有斜楔型特殊結(jié)構(gòu)，所以在向前輸送方向上刮板附近的煤散料間相互作用力應(yīng)當(dāng)更大；上層主要依靠顆粒間力的傳遞，下層依靠刮板和鏈條進(jìn)行力的傳遞，所以下層顆粒間相互作用力更大；V型槽幫處，刮板和槽幫的共同作用下，顆粒間力的作用情況相對復(fù)雜。

由于刮板在中板表面間隔排布，所以刮板輸送機(jī)工作過程中就不斷有刮板參與輸送，也不斷有刮板完成輸送，進(jìn)行卸料，又因?yàn)楣伟鍞D壓煤顆粒對中板的受力情況有很大的影響，所以對于中板整體而言，中板的受力隨著時(shí)間是有一定的規(guī)律的。

同一負(fù)載下，中板上方刮板、鏈條、槽幫的結(jié)構(gòu)和煤散料的分布狀態(tài)對中板不同區(qū)域的受力有一定的影響，雙排鏈處和V型槽幫處結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，顆粒與幾何體間容易產(chǎn)生復(fù)雜的力學(xué)作用；不同負(fù)載下，煤散料的分布狀態(tài)和煤散料質(zhì)量對中板同一區(qū)域的受力有一定的影響，負(fù)載越大，煤顆粒數(shù)量越多，則中部槽承受法向載荷越大，越容易形成刮板(鏈條)和中板擠壓煤顆粒的狀態(tài)，對中板產(chǎn)生較大的法向作用力。

4.3.1 煤散料力鏈分布

力鏈用于表達(dá)力的傳遞作用，以顏色表示力的大小。取100%負(fù)載條件下的仿真結(jié)果，將槽幫和刮板以80%透明度顯示，8 s時(shí)刻X方向煤散料的力鏈分布如圖12a所示，可以發(fā)現(xiàn)，刮板和煤散料的作用力向前傳遞，越靠近刮板處，刮板與煤散料的相互作用力越大，刮板后方和上方煤散料與刮板作用力較??；下層煤散料與刮板相互作用力較大，上層煤散料僅發(fā)生煤散料間的相互作用，作用力較小。

為了更好地顯示刮板和槽幫處的力鏈分布，將Z方向煤散料的力鏈在刮板位置處剖切(即僅保留下層煤散料的力鏈分布)，結(jié)果如圖12b所示，可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)域1刮板兩側(cè)靠近槽幫處作用力較為明顯，作用力傳遞較為復(fù)雜。

圖12 煤散料的力鏈分布Fig.12 Force chain distribution of bulk coal

由此可以分析，雖然區(qū)域1單位面積上方煤散料質(zhì)量僅占區(qū)域3的74.32%，但區(qū)域1的磨損量仍舊大于區(qū)域3，是由于槽幫作用下區(qū)域1煤散料受力關(guān)系變得復(fù)雜，導(dǎo)致區(qū)域1部分煤散料對中板作用力更大。

4.3.2 中部槽受力分析

1)不同區(qū)域的受力分析。在100%負(fù)載情況下，0～8 s時(shí)間段內(nèi)，不同區(qū)域內(nèi)的法向載荷如圖13a所示，可以發(fā)現(xiàn)，在煤散料輸送過程中，由于刮板、鏈和中板對煤顆粒的擠壓狀態(tài)隨機(jī)形成，中板受力波動(dòng)明顯。隨著刮板不斷向前輸送煤散料，區(qū)域2的受力雖有波動(dòng)，但基本呈連續(xù)上升趨勢，這是由于區(qū)域2一直有大量煤散料堆積，同時(shí)區(qū)域2處的煤散料既受刮板的作用，又受連續(xù)鏈條的作用；區(qū)域3的受力基本呈階段性上升，這是由于區(qū)域3雖然一直有煤散料堆積，但區(qū)域3處的煤散料僅受刮板的作用，且由于2個(gè)刮板之間間隔1 008.4 mm，鏈速為1.1 m/s，故間隔0.917 s便有下一個(gè)刮板受到煤散料的接觸作用，如圖13a中區(qū)域3曲線所示，分別在1、1.90、3.65和4.55 s時(shí)刻中板受力發(fā)生明顯變化，時(shí)間間隔與0.917 s相近(其中1.90～3.65 s時(shí)間段約為2倍的0.917 s，在該時(shí)間段內(nèi)也有新的刮板參與輸送煤散料，但由于沒有形成對煤散料的擠壓作用，中板受力變化不明顯)；區(qū)域1受力基本呈階段性變化，但規(guī)律不明顯，這是由于雖然區(qū)域1處的煤散料僅受刮板作用向前輸送，但同時(shí)部分煤散料受槽幫影響，受力情況變得復(fù)雜。

圖13 不同區(qū)域的法向載荷Fig.13 Normal loads in different areas

不同區(qū)域中板的平均法向載荷如圖14b所示，區(qū)域2的平均法向載荷最大，區(qū)域1次之，區(qū)域3最小。這是由于在區(qū)域2既受到刮板對煤散料的作用，又受到刮板鏈對煤散料的作用，而區(qū)域1僅受到刮板對煤散料的作用，但由于槽幫的存在，區(qū)域1的部分位置受力情況變得復(fù)雜，區(qū)域3僅受到刮板對煤散料的作用，受力情況最為簡單。

2)不同負(fù)載下的受力分析。0～8 s內(nèi)，不同負(fù)載下區(qū)域2的法向載荷如圖14a所示，可以發(fā)現(xiàn)100%負(fù)載和140%負(fù)載這2種情況下，法向載荷波動(dòng)上升；60%負(fù)載這種情況下，在5.4 s后法向載荷波動(dòng)下降。這是由于100%負(fù)載和140%負(fù)載這2種情況下，在煤散料輸送后半段(5.4 s后)區(qū)域2依然可以保證有充足的煤散料堆積，而60%負(fù)載這種情況下，在煤散料輸送后半段(5.4 s后)煤散料明顯不足，刮板(鏈條)與中板擠壓煤顆粒的情況逐漸減小，載荷不斷減小。

平均法向載荷如圖14b所示，可以發(fā)現(xiàn)，140%負(fù)載平均法向載荷最大，100%負(fù)載次之，60%負(fù)載最小，法向載荷與負(fù)載量呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于負(fù)載越大，煤顆粒越多，參與“刮板、鏈—煤散料—中板”這一作用關(guān)系的概率越大，同時(shí)負(fù)載越大，煤散料對中板的直接作用力越大。

圖14 不同負(fù)載下區(qū)域2的法向載荷Fig.14 Normal loads in area 2 under different loads

5 結(jié) 論

1)煤散料在刮板輸送機(jī)上分布具有“巴西果效應(yīng)”，不同區(qū)域單位面積上煤散料質(zhì)量差異較大。

2)中板磨損主要集中在雙排刮板鏈的正下方，該區(qū)域下磨損量遠(yuǎn)大于非鏈條排布區(qū)域。

3)中部槽磨損量隨著負(fù)載的增大而增大，140%負(fù)載下的磨損量是60%負(fù)載的3.49倍左右；中部槽磨損量隨著含矸率的增大而增大，含矸率25%的煤散料對中部槽的磨損量是不含矸的4.11倍左右；鏈條正下方區(qū)域2磨損最為嚴(yán)重，其平均磨損深度為區(qū)域3的9.62倍左右。

4)槽幫作用導(dǎo)致區(qū)域1煤散料受力關(guān)系復(fù)雜，而區(qū)域2煤散料受雙排鏈和刮板共同作用，100%負(fù)載工況下，區(qū)域2的平均法向載荷最大，區(qū)域1次之，區(qū)域3最?。粎^(qū)域2的法向載荷隨負(fù)載的增加而增大。