刮板輸送機中部槽參數(shù)優(yōu)化研究

徐 浩

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 太原 030024）

引言

刮板輸送機作為我國重要的煤礦運輸設(shè)備，其主要承擔(dān)著運煤、運矸的任務(wù)，在日常工作過程中，刮板輸送機可以根據(jù)相應(yīng)的采煤方式變化調(diào)節(jié)運輸方式[1-2]。主要的運輸方式可以分為傾斜運輸及水平運輸。刮板輸送機中部槽作為刮板輸送機重要的部件，其質(zhì)量約占刮板輸送機總質(zhì)量的7 成，中部槽是刮板輸送機實現(xiàn)運輸功能的重要保證。在實際工作中，由于礦井環(huán)境較為惡劣，使得刮板輸送機在運行過程中受到外部載荷及內(nèi)部電壓不穩(wěn)的影響出現(xiàn)較大程度的磨損，嚴(yán)重限制了機械的使用壽命及使用性能，所以對刮板輸送機的中部槽進(jìn)行優(yōu)化研究是十分必要的[3-4]。

1 數(shù)值模擬研究

中部槽主要是由中板、底板、鏟板槽幫、擋板槽幫、銷軌座組成，每節(jié)中部槽通過啞鈴銷進(jìn)行連接，其中擋板槽幫的推移耳主要是用于推溜拉架，而鏟板槽幫主要用于刮板輸送機運行的軌道支撐作用。對刮板輸送機的在中部槽進(jìn)行動力學(xué)分析首先需要對中部槽受力進(jìn)行分析，一般來說中部槽的受力來源于兩個部分，一部分為采煤機自重作用于中部槽，另一部分是由于滾筒截割煤層時受到的截割組成傳遞到中部槽上的力。

對中部槽進(jìn)行動力學(xué)分析，首先進(jìn)行模型的建立，從模擬軟件的外接模塊ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行三維模型的導(dǎo)入，對模型的單元進(jìn)行劃分，本文選用solid185 單元對平滑靴進(jìn)行劃分，中部槽及啞鈴銷采用solid187 進(jìn)行劃分，完成模型劃分后對中部槽的材料進(jìn)行選擇，中部槽采用ZG30MnSi，啞鈴銷選用30CrMnTi。對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，對中部槽底面進(jìn)行固定，同時對銷軌座和中部槽施加固定約束。分別對三個時間下的等效應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，應(yīng)力云圖如圖1 所示。

圖1 直線工況三個時間下的等效應(yīng)力（Pa）云圖

從圖1 中可以看出，在中部槽的啞鈴窩處及鏟煤板肋板根部位置會出現(xiàn)應(yīng)力集中。其中中部槽啞鈴窩處的高應(yīng)力主要是由于中部槽的端頭位置相互搭接，從而在端頭位置會產(chǎn)生相對的應(yīng)力，造成啞鈴窩處出現(xiàn)應(yīng)力集中。同時通過分析云圖可以看出，當(dāng)平滑靴運動之鏟煤板位置時，此時會在中部槽的啞鈴窩處出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，啞鈴窩處會出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。在鏟煤板側(cè)肋板根部的應(yīng)力集中會隨著平滑靴的運動而改變，這是由于平滑靴對鏟煤板產(chǎn)生向下的力，使得鏟煤板出現(xiàn)向下的變形，所以肋板由于阻止這種變形會出現(xiàn)應(yīng)力集中。

對斜切工況下的受力進(jìn)行分析，分別給出三個時間節(jié)點時的等效應(yīng)力云圖，應(yīng)力云圖如下頁2 所示。

從下頁圖2 可以看出，斜切工況下的應(yīng)集中位置與直線工況下的應(yīng)力集中位置幾乎沒差，同樣集中在肋板的根部及啞鈴窩處，在斜切工況下，在后槽幫的位置雖然無明顯的應(yīng)力集中情況，但應(yīng)力變化情況較為明顯，這是由于在銷軌處未設(shè)置X 方向的約束，所以造成X 方向上等效應(yīng)力變化明顯的現(xiàn)象。在肋板的根部及啞鈴窩處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的重要原因與直線工況下的應(yīng)力集中的原因類似，所以可以看出在直線工況及斜切工況下肋板的根部及啞鈴窩處均是部件的薄弱點，需要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以保證設(shè)備的工作性能及使用壽命。

圖2 斜切工況三個時間下的等效應(yīng)力（Pa）云圖

2 優(yōu)化設(shè)計研究

對刮板輸送機中部槽進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，由于先前模擬得出中部槽的薄弱位置為肋板的根部及啞鈴窩處，所以選定優(yōu)化參數(shù)為肋板倒角、啞鈴窩弧形半徑、鏟板厚度、肋板厚度，將四組參數(shù)輸入UG 軟件中，軟件通過靜力學(xué)分析選定最佳的參數(shù)配置，在軟件中設(shè)計變量并給出目標(biāo)函數(shù)及約束條件的設(shè)定，通過仿真模擬確定最佳的參數(shù)，保證模型受力小于材料得許用強度。通過對比分析，系統(tǒng)給出最佳的參數(shù)為肋板倒角29.8 mm、啞鈴窩弧形半徑34.1 mm、鏟板厚度94.1 mm、肋板厚度30.9 mm，得出最佳的參數(shù)后對刮板輸送機中部槽進(jìn)行優(yōu)化，對優(yōu)化后的模型進(jìn)行模擬，模型的受力云圖如3 所示。

從圖3 可以看出，通過對刮板輸送機中部槽進(jìn)行優(yōu)化后，整體中部槽的受力較為平均，僅在肋板位置出現(xiàn)面積較小的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力為211.2 MPa，較優(yōu)化前的應(yīng)力有了明顯的降低，同時由于優(yōu)化肋板倒角、啞鈴窩弧形半徑、鏟板厚度、肋板厚度的結(jié)構(gòu)尺寸，使得整體部件制作成本降低，較好地實現(xiàn)了降本增效的目的。同時對肋板倒角、啞鈴窩弧形半徑、鏟板厚度、肋板厚度四種影響因素的敏感度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)肋板厚度對整個中部槽性能影響的程度最大，鏟板厚度對中部槽影響其次，啞鈴窩弧形半徑對整個中部槽的影響最小，所以在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，可以忽略啞鈴窩弧形的影響，僅對肋板倒角、鏟板厚度、肋板厚度的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，既可以確保材料的使用性能，又可以提升優(yōu)化效率。優(yōu)化后材料質(zhì)量從726.71 kg，降低至722.47 kg，降低了0.5%，最大變形量降低了4.8%，有效提升了刮板輸送機中部槽的使用性能及使用壽命，設(shè)計較為成功。

圖3 優(yōu)化后中部槽受力云圖

3 結(jié)論

1）建立了中部槽數(shù)值模擬模型，對直線工況三個時間節(jié)點等效應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中部槽的啞鈴窩處及鏟煤板肋板根部位置會出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2）斜切工況下的應(yīng)力集中位置與直線工況下的應(yīng)力集中位置幾乎沒差，同樣集中在肋板的根部及啞鈴窩處。

3）通過對刮板輸送機中部槽進(jìn)行優(yōu)化后應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力為211.2 MPa，質(zhì)量從726.71 kg，降低至722.47 kg，降低了0.5%，最大變形量降低了4.8%，優(yōu)化設(shè)計較成功。