基于響應(yīng)面法的仿生凹坑型中部槽耐磨性

王學(xué)文，劉朝陽(yáng)，李 博，馬繼磐，劉 俊，李娟莉，麻豪洲，夏 蕊

(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.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024;3.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024;4.太重煤機(jī)有限公司,山西 太原 030000;5.山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司,山西 太原 030031)

刮板輸送機(jī)是高產(chǎn)高效機(jī)械化采煤的核心裝備，中部槽是刮板輸送機(jī)的主要組成部分，占總質(zhì)量的75%以上。在運(yùn)輸過(guò)程中，刮板鏈循環(huán)帶動(dòng)物料沿著溜槽移動(dòng)，使得中部槽極易磨損失效，進(jìn)而引起刮板輸送機(jī)的運(yùn)行故障，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)[1-2]。因此，提高中部槽的耐磨性顯得尤為重要[3]。目前提高中部槽耐磨性的方法主要包括：改善中部槽材料[4-5]、優(yōu)化中部槽結(jié)構(gòu)[6]、采用耐磨堆焊和熔覆涂層技術(shù)[7- 11]等。

隨著摩擦學(xué)的不斷發(fā)展，研究者們借助仿生非光滑理論，利用生物體表面形成的許多性能優(yōu)異的耐磨結(jié)構(gòu)(如蜣螂體表的凹坑結(jié)構(gòu)、扇貝體表的凹槽結(jié)構(gòu)和穿山甲體表的鱗片結(jié)構(gòu)等)來(lái)減小磨損[12]，因而仿生學(xué)在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熙鵬等[13]在磨輥表面設(shè)計(jì)仿生凹坑型結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明凹坑型磨輥比標(biāo)準(zhǔn)磨輥的耐磨性提高了29.06%；孫藝文等[14]在泥漿泵活塞表面設(shè)計(jì)加工凹坑型仿生單元體，并進(jìn)行磨損壽命分析，結(jié)果表明與標(biāo)準(zhǔn)活塞相比，凹坑型仿生活塞的壽命提高了93%。李博等[15]建立了仿生凹坑型中部槽模型，發(fā)現(xiàn)凹坑具有應(yīng)力緩釋效應(yīng)，可以提高表面耐磨性?？紤]到蜣螂體表與糞土間的相互作用及中部槽與煤顆粒間的相互作用，都屬于物體與顆粒相互接觸的摩擦問(wèn)題，具有一定的相似性。因此，本研究應(yīng)用仿生非光滑理論，在中部槽上設(shè)計(jì)蜣螂仿生凹坑結(jié)構(gòu)來(lái)研究仿生中部槽的耐磨性，并探究仿生凹坑結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其耐磨性的影響，為今后中部槽的仿生耐磨設(shè)計(jì)提供參考。

相較于全因子分析法和正交試驗(yàn)法，響應(yīng)面法可以探究多個(gè)影響因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理范圍之內(nèi)找到試驗(yàn)因子的最佳組合，具有試驗(yàn)次數(shù)少、周期短、結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)。在仿生參數(shù)研究方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[16 - 19]。筆者利用響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同參數(shù)組合下的凹坑型仿生中部槽進(jìn)行耐磨性分析，建立磨損深度與各因素的二次多項(xiàng)式回歸模型，確定試驗(yàn)條件下的最優(yōu)耐磨仿生參數(shù)組合，并通過(guò)真實(shí)試驗(yàn)和與SGZ880/800型刮板輸送機(jī)等比例雙向耦合模型的仿真試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)的有效性。

1 仿真模型建立及響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

1.1 磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)模型

刮板輸送機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中，煤料堆積在中部槽上，刮板(鏈條)循環(huán)帶動(dòng)煤散料運(yùn)動(dòng)。刮板輸送機(jī)模型如圖1所示。

考慮到刮板輸送機(jī)運(yùn)行成本較高，在其中板上進(jìn)行仿生參數(shù)的研究難以實(shí)現(xiàn)，因此本研究設(shè)計(jì)了與刮板輸送機(jī)工作原理類似的改進(jìn)銷盤式ML-100型磨料磨損試驗(yàn)機(jī)(往復(fù)運(yùn)動(dòng))模型進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，如圖2(a)所示。由于影響凹坑型仿生中部槽耐磨性的參數(shù)較多，需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，中板的制備需消耗過(guò)多的時(shí)間，因而本研究采用與實(shí)物模型等比例的仿真模型進(jìn)行耐磨參數(shù)探究，仿真模型如圖2(b)所示。

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

磨料磨損機(jī)工作時(shí)，支架在電機(jī)的帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。刮板試樣夾具上裝有軸承，可實(shí)現(xiàn)一定范圍上下跳動(dòng)，以模擬煤炭輸運(yùn)過(guò)程中刮板下部卡煤的過(guò)程。設(shè)計(jì)料槽如圖3所示，以實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的快速回煤，使得中板試樣和刮板試樣一直處于運(yùn)輸煤散料的過(guò)程中，以此來(lái)模擬中部槽的磨損狀態(tài)。將刮板試樣設(shè)計(jì)成與刮板角度相同的雙斜面結(jié)構(gòu)，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)往復(fù)角度相同，材料與刮板材料一致為42CrMo。

圖3 料槽三維結(jié)構(gòu)Fig.3 Three-dimensional structure of trough

圖4 刮板試樣與刮板的斜切結(jié)構(gòu)Fig.4 Oblique cutting structure of scraper sample and scraper

1.2 DEM-MBD耦合仿真參數(shù)設(shè)置

筆者采用離散元(EDEM 2018)與多體動(dòng)力學(xué)(RecurDyn V9R1)雙向耦合的磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)模型模擬中板的磨損過(guò)程，探究凹坑型仿生中板的最優(yōu)耐磨參數(shù)組合。耦合模型及其相關(guān)參數(shù)的可靠性已得到同課題組成員的驗(yàn)證[20]。

1.2.1 EDEM離散元參數(shù)設(shè)置

(1)顆粒模型?？紤]到煤顆粒形狀的復(fù)雜性，本研究通過(guò)球形顆粒填充的方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究基礎(chǔ)，建立如圖5所示的煤顆粒模型[21]。仿真中采用隨機(jī)方式產(chǎn)生煤顆粒，并設(shè)置最大和最小范圍控制煤顆粒粒徑，確保生成的煤顆粒粒徑在4～6 mm內(nèi)，以控制變量。

圖5 煤顆粒模型Fig.5 Coal particle model

(2)散料與剛體的本征參數(shù)和接觸參數(shù)。本研究中，煤種選擇陜西省榆林市神木縣的長(zhǎng)焰煤。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究基礎(chǔ)，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，見表1，2[22]。煤顆粒之間的接觸模型選擇Hertz - Mindlin ( no slip )，煤顆粒與幾何體之間接觸模型選擇Hertz - Mindlin with Archard Wear，相對(duì)磨損常數(shù)設(shè)置為1.2 × 10-12m2/N，仿真時(shí)長(zhǎng)為3 s(顆粒生成時(shí)間0.5 s，顆粒靜止時(shí)間0.5 s，往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期2 s)。

表1 煤、NM360鋼本征參數(shù)

表2 接觸參數(shù)

1.2.2 RecurDyn動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)置

導(dǎo)桿和料槽設(shè)置為固定于地面的固定副；刮板試樣夾具與支架之間設(shè)置雙重接觸的特性，分別為移動(dòng)副與接觸副，接觸副的接觸方式為剛體-剛體；中板試樣設(shè)置為固定于料槽的固定副；刮板輸送機(jī)的刮板與中板存在接觸作用，因此設(shè)置刮板試樣與中板試樣的接觸副；支架與導(dǎo)軌之間設(shè)置移動(dòng)副。所有移動(dòng)副的移動(dòng)特性均由階躍函數(shù)控制。往復(fù)速度設(shè)置為0.18 m/s,往復(fù)距離設(shè)置為180 mm。

1.3 仿生凹坑結(jié)構(gòu)響應(yīng)面設(shè)計(jì)

1.3.1 篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Plackett - Burman (PB)法是一種兩水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以非完全平衡塊原理為基礎(chǔ)，通過(guò)最少試驗(yàn)次數(shù)較精確地找出因素的主效應(yīng)，能夠快速有效地從眾多考察因素中篩選出重要的因素(可信度達(dá)95%以上)。對(duì)于N次試驗(yàn)，最多可以研究(N-1)個(gè)因素，但還應(yīng)該設(shè)置虛擬項(xiàng)來(lái)估計(jì)試驗(yàn)誤差。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室對(duì)蜣螂背板非光滑單元特征的提取結(jié)果[23]，即利用聚焦形貌恢復(fù)技術(shù)的基本原理和流程方法，對(duì)蜣螂典型凹坑進(jìn)行形貌恢復(fù)和分析得到蜣螂凹坑形貌為圓形或橢圓形。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[24-26]，全面分析蜣螂體表凹坑的形貌A、直徑C、深度D、角度F、橫向間距G和縱向間距I這6個(gè)因素對(duì)磨損的影響，設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)方案Fig.6 Design scheme

考慮到本研究所采用的中板試樣有效區(qū)域長(zhǎng)度為180 mm，寬度為20 mm，高度為3.7 mm。凹坑參數(shù)設(shè)計(jì)，不應(yīng)使凹坑過(guò)于密集或松散，且不造成煤顆?？ㄟM(jìn)凹坑影響試驗(yàn)結(jié)果。因此本研究進(jìn)行了幾次預(yù)試驗(yàn)，最終以磨損深度為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)PB試驗(yàn)，見表3。

表3 PB試驗(yàn)因素與水平

1.3.2 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)

響應(yīng)面擬合方程的建立需在所考察的緊接臨域內(nèi)進(jìn)行才能最大程度接近真實(shí)情形。因此，要逼近最小磨損深度區(qū)域后再建立響應(yīng)面擬合方程。根據(jù)PB設(shè)計(jì)結(jié)果中顯著影響因素效應(yīng)值的正負(fù)設(shè)定爬坡方向，根據(jù)效應(yīng)值的大小設(shè)定變化步長(zhǎng)。

1.3.3 BBD 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)PB篩選試驗(yàn)與最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果，以磨損深度為響應(yīng)值，采用Box - Behnken Design ( BBD)進(jìn)行多因素多水平的試驗(yàn)。

2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 篩選試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)Minitab17軟件設(shè)計(jì)創(chuàng)建N=12的試驗(yàn)，對(duì)形貌(A)、直徑(C)、深度(D)、角度(F)、橫向間距(G)、縱向間距(I)6個(gè)實(shí)際因素和3個(gè)虛擬因素進(jìn)行研究。以磨損深度作為響應(yīng)值Y，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表4。

表4 PB試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

各因素效應(yīng)、顯著性分析及重要性排序見表5。

表5 PB分析結(jié)果

由表5可知，直徑、橫向間距、深度3個(gè)因素對(duì)磨損深度的影響顯著(P< 0.05)，可考慮這3個(gè)因素作為主要因素進(jìn)行下一步試驗(yàn)。其余因素的取值則根據(jù)各因素效應(yīng)的正負(fù)和大小選取。

2.2 最陡爬坡試驗(yàn)結(jié)果與分析

從PB試驗(yàn)結(jié)果可知，直徑為正效應(yīng)，橫向間距和深度為負(fù)效應(yīng)，即在PB試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)適當(dāng)增大直徑，磨損深度增大，適當(dāng)增大橫向間距和深度，磨損深度減小。考慮到磨損深度越小，優(yōu)化效果越好，直徑應(yīng)選擇較小值，橫向間距和深度應(yīng)選擇較大值，其余各因素按照正負(fù)效應(yīng)和實(shí)際情況選擇。最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表6。

表6 最陡爬坡試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表6可知，在試驗(yàn)3的條件下磨損深度最小，因此將試驗(yàn)3的值定為響應(yīng)面試驗(yàn)的中心點(diǎn)。

2.3 BBD試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 BBD試驗(yàn)回歸模型

試驗(yàn)確定了3個(gè)顯著因素，因而根據(jù)BBD進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表7，8。利用Design Expert 12.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸擬合，得到以磨損深度Y為因變量，直徑C、橫向間距G和深度D為自變量的三元二次回歸擬合模型，即

Y=3.44+2.13C-1.485G+5.13D+ 1.953C2+0.082 8G2-0.688D2- 0.509 7CG+0.698CD-0.171 1GD

(1)

選取一組非試驗(yàn)值(C=1,D=2.6,G=12)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)值為0.635 8，計(jì)算值為0.673 4，誤差僅為5.6%，模型較為合理。求解式(1)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的最小值，得：C=0.9，G=13.6，D=1.8。在此條件下，可得到試驗(yàn)條件下的最小磨損深度。

表7 響應(yīng)面因素設(shè)計(jì)

表8 BBD結(jié)果

2.3.2 回歸模型方差分析

對(duì)該回歸模型進(jìn)行方差分析，見表9，10。由表9可知對(duì)磨損深度的影響從大到小依次為直徑、深度、橫向間距。在(顯著性水平)α= 0.05的水平上，C，D，C2，G2，CG對(duì)磨損深度Y的影響顯著，表明各影響因素之間并不是呈現(xiàn)線性關(guān)系，而是二次關(guān)系。方程的相關(guān)系數(shù)R2為0.972 3，表明該模型可信度較高，可以較為準(zhǔn)確地分析和預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。在表10中，該模型失擬不顯著(失擬項(xiàng)P= 0.124 > 0.05)，說(shuō)明磨損深度的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值擬合度較高，R2=0.972 3，調(diào)整后R2=0.922 5。

表9 回歸系數(shù)顯著性分析

表10 方差分析

2.3.3 響應(yīng)曲面分析

通過(guò)Design-Expert軟件進(jìn)行分析，得出具有顯著性交互作用項(xiàng)CG(直徑、橫向間距)對(duì)Y(磨損深度)的響應(yīng)面(圖7)和等高線(圖8)。

圖7 CG交互作用響應(yīng)面Fig.7 Response surface diagram of CG interaction

圖8 CG交互作用等高線Fig.8 Contour map of CG interaction

從圖7可以看出，在C=0.9 mm時(shí)，磨損達(dá)到試驗(yàn)條件下的極小值。其原因在于：當(dāng)直徑過(guò)小時(shí)，凹坑表面與煤顆粒的接觸面積較小，由凹坑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓應(yīng)變能較小，凹坑表面的應(yīng)力緩釋效應(yīng)不明顯，起到的減磨效果不顯著。直徑過(guò)大，又會(huì)造成部分形狀的煤卡住或引發(fā)碰撞現(xiàn)象，導(dǎo)致磨損增大，故凹坑直徑不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，應(yīng)綜合考慮采煤機(jī)型號(hào)、煤質(zhì)信息，確定煤顆粒粒徑分布的大致范圍，制定相應(yīng)大小的凹坑，以減小磨損。在G= 13.6 mm時(shí)，磨損達(dá)到試驗(yàn)條件下的極小值。其原因在于：當(dāng)橫向間距過(guò)小時(shí)，凹坑分布密集、數(shù)量較多，煤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡被多次改變，且工件的強(qiáng)度得到了一定程度的削弱，反而不利于減小磨損，效果不顯著；當(dāng)橫向間距過(guò)大，凹坑分布疏散，數(shù)量較少，應(yīng)力集中效應(yīng)明顯大于應(yīng)力緩釋效應(yīng)，凹坑處形成的空氣膜不夠，摩擦因數(shù)降低不明顯，減磨效果不顯著，因而對(duì)于凹坑分布間距的選取，應(yīng)綜合考慮刮板輸送機(jī)中部槽的尺寸信息，結(jié)合凹坑的直徑，使得凹坑分布較為合理。

從圖8可以看出，顏色由藍(lán)色逐漸變?yōu)榧t色，表示提取質(zhì)量由少到多，變化的速度較快，坡度較大，表明交互作用對(duì)磨損深度的影響顯著。此外，CG交互作用等高線呈橢圓狀，而非圓形，表明CG交互作用較強(qiáng)。

3 仿生凹坑結(jié)構(gòu)驗(yàn)證與耐磨性分析

將上述響應(yīng)面分析得到的最優(yōu)解(C=0.9，G=13.6，D=1.8)，分別通過(guò)磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)仿真、試驗(yàn)及刮板輸送機(jī)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 磨粒磨損機(jī)仿真驗(yàn)證

處于刮板下端的煤散料與中板的磨損是引起中部槽磨損嚴(yán)重的重要因素。刮板輸送機(jī)在工作時(shí)，由于鏈條的多邊形效應(yīng)，使得刮板處于不斷波動(dòng)的過(guò)程中，造成刮板下端的煤散料對(duì)中板的壓力不均。因而中板的磨損程度可以從刮板試樣Z方向位置、刮板試樣Z方向加速度、中板試樣受力3個(gè)方面反映。結(jié)果如圖9所示。

圖9 刮板試樣Z方向位移、加速度及中板試樣受力Fig.9 Displacement and acceleration of upper sample in the Z direction，F(xiàn)orce of the middle plate sample

由圖9(a)可得，刮板試樣在一定范圍內(nèi)跳動(dòng)，可模擬刮板下方有煤料的過(guò)程。光滑中板的上試樣位置跳動(dòng)趨勢(shì)和最值點(diǎn)較于凹坑中板較大，其原因?yàn)榘伎咏Y(jié)構(gòu)具有應(yīng)力緩釋效應(yīng)，從一定程度上緩解了刮板試樣與中板試樣間的受力。

由圖9(b)可得，光滑板上試樣加速度整體波動(dòng)幅度較大，加速度的最值也較大。光滑中板上試樣平均加速度982 761.69 mm/s2大于凹坑中板上試樣平均加速度957 864.08 mm/s2，其原因?yàn)椴灰?guī)則的煤顆粒形狀導(dǎo)致了刮板試樣加速度的波動(dòng)，由于凹坑的存在，上試樣與中板試樣間的煤顆粒由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€、面接觸，緩解了上試樣加速度的波動(dòng)。

由圖9(c)可得，在1.0～1.5 s，光滑中板的受力相較于凹坑中板較大，且最大值大于凹坑中板。雖然在1～2 s凹坑中板的受力大于光滑中板，其原因?yàn)槊侯w粒持續(xù)卡在上試樣與中板試樣之間，但結(jié)合2～3 s的總體趨勢(shì)，及光滑中板平均受力為71.59 N，凹坑中板的平均受力為69.45 N，可得光滑中板受力大于凹坑中板。其原因?yàn)椋嚎ㄔ谏显嚇优c中板試樣間的煤顆粒形狀不規(guī)則，存在棱角，局部尖角可能對(duì)中板試樣產(chǎn)生較大的壓力，而凹坑中板由于凹坑的存在，凹坑局部輪廓承擔(dān)受力，緩解了應(yīng)力集中，凹坑與煤顆粒之間也產(chǎn)生了空氣膜，使得凹坑中板整體受力較小。

中板的總磨損深度可以從離散元軟件EDEM的后處理模塊中得到，見表11。

表11 光滑中板與仿生中板的總磨損深度

從表11可以得到，最優(yōu)參數(shù)下的凹坑型仿生中板在試驗(yàn)條件下，磨損程度較小，可減少大約30.26%的磨損。

3.2 磨粒磨損機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

采用實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備ML-100型磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，以最優(yōu)耐磨仿生參數(shù)加工試驗(yàn)樣板，并設(shè)置相應(yīng)的定位孔固定到圓盤上，中板試樣如圖10所示，凹坑結(jié)構(gòu)采用數(shù)控銑床進(jìn)行精準(zhǔn)加工。試驗(yàn)采用150 g陜西省榆林市神木縣的長(zhǎng)焰煤，粒徑選擇4～6 mm，設(shè)置磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)為往復(fù)試驗(yàn)，速度和往復(fù)距離與仿真保持一致，載荷20 N，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)600 min，煤料烘干處理，環(huán)境溫度25 ℃，空氣濕度65%。

圖10 中板試樣Fig.10 Middle plate sample

試驗(yàn)前用600目砂紙打磨中板試樣表面，確保表面粗糙度一致。試驗(yàn)后用無(wú)水乙醇清理中板試樣表面的煤粉，以減小誤差。

試驗(yàn)通過(guò)萬(wàn)分之一天平(FA3204B)測(cè)量試驗(yàn)前后的試驗(yàn)樣板質(zhì)量，并以其差值作為磨損量的衡量指標(biāo)。由于FA3204B萬(wàn)分之一天平量程350 g，需要對(duì)試驗(yàn)中板進(jìn)行中部切斷。中板磨損量取3次試驗(yàn)的平均值，比較光滑中板與凹坑中板的質(zhì)量差，如圖11所示。

由圖11可知，試驗(yàn)結(jié)果中凹坑中板比光滑中板磨損質(zhì)量大約減少24.81%。

對(duì)比仿真試驗(yàn)與真實(shí)試驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化效果誤差率為5.45%，相對(duì)較小，說(shuō)明仿真得到的耐磨仿生最優(yōu)參數(shù)組合是有效的，可以從一定程度上為仿生中板的研制提供參考。

圖11 中板對(duì)比試驗(yàn)質(zhì)量差Fig.11 Inferior quality in comparison test of middle plate

3.3 刮板輸送機(jī)仿真驗(yàn)證

筆者以SGZ880/800型刮板輸送機(jī)為原型進(jìn)行建模，模型長(zhǎng)度5 m，圓環(huán)鏈φ34 mm× 126 mm，中部槽3段。

中板的磨損主要是煤、刮板(刮板鏈)與中板的三體磨損引起的，中部槽鏈道處的磨損尤為嚴(yán)重。為了更好的設(shè)計(jì)仿生中板，本文將中板分為5個(gè)區(qū)域，如圖12所示，其中區(qū)域I和V為鏈道兩側(cè)區(qū)域，區(qū)域II和IV為鏈道區(qū)域，區(qū)域III為鏈道中間區(qū)域。

圖12 中板區(qū)域劃分Fig.12 Regional division of the middle plate

為了控制變量，減小煤顆粒大小不均對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文在刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行工況下，對(duì)生成煤顆粒范圍為13～100 mm的工況進(jìn)行了仿真。采用凹坑型最優(yōu)耐磨參數(shù)組合(形貌圓坑、直徑0.9 mm、深度1.8 mm、角度90°、橫向間距13.6 mm和縱向間距10 mm)對(duì)中板進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，如圖13所示。

圖13 凹坑型仿生中板Fig.13 Design of pit-shaped bionic middle plate

仿生中板的設(shè)計(jì)參數(shù)見表12。

表12 仿生中板設(shè)計(jì)參數(shù)

從EDEM后處理中，輸出中板的磨損云圖，觀察其磨損區(qū)域和磨損程度，如圖14(a)所示；同時(shí)輸出中板的磨損深度，并與光滑中板作對(duì)比，如圖14(b)所示。

圖14 中板后處理數(shù)據(jù)Fig.14 Post processing data of middle board

由圖14(a)可知，磨痕無(wú)明顯的集中現(xiàn)象，在鏈道處的磨損減輕，磨損較為均勻，有利于提高中部槽的整體使用壽命。

由圖14(b)可知，凹坑型仿生中板從很大程度上減小了中板的磨損，且凹坑中板的磨損深度增長(zhǎng)緩慢，磨損深度減小了1倍左右，也進(jìn)一步證明了凹坑型仿生參數(shù)組合的有效性和設(shè)計(jì)的合理性。

3.4 凹坑型仿生中板耐磨性分析

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，物體表面越光滑，其與外物的黏附力越小。根據(jù)滑動(dòng)摩擦力F公式為

F=μFN

(2)

式中，μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù)；FN為正壓力。

理論上，當(dāng)物體表面絕對(duì)光滑，即摩擦因數(shù)μ=0時(shí)，摩擦力為0。然而在實(shí)際當(dāng)中，宏觀上看似光滑、平整的表面，在顯微鏡下觀察時(shí)，表面呈現(xiàn)出許多不規(guī)則的凸峰和凹谷，這是在加工過(guò)程中造成的，無(wú)法避免，勢(shì)必會(huì)增大接觸體間的磨損，如圖15所示。

圖15 表面輪廓放大Fig.15 Enlarged surface profile

自然界中多種動(dòng)植物都處在磨損的環(huán)境中，其體表形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料等因素相耦合，對(duì)磨損具有與生俱來(lái)的耐受能力，如土壤動(dòng)物蜣螂、穿山甲等。通過(guò)對(duì)耐磨生物體表觀察、分析、測(cè)試發(fā)現(xiàn)，耐磨生物體表受摩擦嚴(yán)重的部位往往具有幾何非光滑特征。Fleisher(1973年)提出能量磨損理論，其依據(jù)是摩擦過(guò)程中由于能量消耗而產(chǎn)生磨損[27]。結(jié)合本研究EDEM離散元與RecurDyn動(dòng)力學(xué)耦合分析的結(jié)果(圖16)。由圖16可以發(fā)現(xiàn)：磨損從一定程度上可以理解為摩擦力所做的功，即減小摩擦力或者摩擦行程均可以減小磨損。圖16中凹坑型結(jié)構(gòu)一方面有效地減少了煤散料與中板表面的接觸面積，減小了正壓力，進(jìn)而減小了摩擦力；另一方面，破壞了煤散料與中板表面接觸的連續(xù)性，減小了磨損行程，使中板表面與煤散料接觸表面間形成一種空氣膜，進(jìn)而降低了摩擦因數(shù)，從而起到磨損效果。

圖16 中板磨損云圖Fig.16 Abrasion cloud map of the middle plate

4 結(jié) 論

(1)采用PB設(shè)計(jì)從蜣螂體表凹坑結(jié)構(gòu)的6個(gè)影響因素(形貌、直徑、深度、角度、橫向間距、縱向間距)中篩選出3個(gè)顯著影響因素(P< 0.05)，即直徑、橫向間距和深度，其余因素?zé)o顯著影響。

(2)通過(guò)BBD試驗(yàn)及響應(yīng)面分析法建立了磨損深度與主因素的二階回歸模型，經(jīng)過(guò)求解回歸方程得到在試驗(yàn)條件下，最優(yōu)磨損深度的條件為:形貌圓坑，直徑0.9 mm，深度1.8 mm，角度90°，橫向間距13.6 mm，縱向間距10 mm。

(3)通過(guò)最優(yōu)凹坑型仿生中板與光滑板的試驗(yàn)對(duì)比及在刮板輸送機(jī)模型上的驗(yàn)證，表明利用響應(yīng)面法確定的凹坑型仿生中板的參數(shù)是有效的，可以有效地減小中板的磨損。

(4)通過(guò)分析凹坑結(jié)構(gòu)的耐磨性發(fā)現(xiàn)，凹坑結(jié)構(gòu)具有應(yīng)力緩釋效應(yīng)，一方面有效地減少了煤散料與中板表面的接觸面積，減小了正壓力；另一方面，破壞了煤散料與中板表面接觸的連續(xù)性，減小了磨損行程，使中板表面與煤散料接觸表面間形成一種空氣膜，降低了摩擦因數(shù)，從而起到磨損效果。