刮板輸送機(jī)中部槽磨損問題分析與改進(jìn)策略研究

韓煜斌

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048214）

0 引言

煤炭資源掘進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)離不開刮板輸送機(jī)，其是煤炭井下輸送至井上地面的重要輸送裝備，備受煤炭行業(yè)的關(guān)注[1-2]。刮板輸送機(jī)工作過程中動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)刮板鏈帶動(dòng)刮板連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刮板經(jīng)落入中部槽內(nèi)的煤炭連續(xù)向前推送，實(shí)現(xiàn)煤炭的運(yùn)輸功能[3]。運(yùn)煤時(shí)刮板輸送機(jī)中部槽服役條件極為惡劣，不僅會(huì)承受沖擊載荷，還會(huì)承受煤炭的相對(duì)摩擦磨損，是刮板輸送機(jī)極易出現(xiàn)故障的部件之一，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致煤炭滲漏污染巷道，增大刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)件的磨損，嚴(yán)重情況下將會(huì)導(dǎo)致煤炭綜采工作面工作停滯，給煤炭企業(yè)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失[4-6]。因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)使用的刮板輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)中部槽磨損嚴(yán)重的問題，借助有限元仿真分析方法，開展中部槽磨損問題分析與改進(jìn)策略研究具有重要意義。

1 故障概述

服役中的刮板輸送機(jī)中部槽出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的情況如圖1 所示。由圖1 可以看出，中部槽磨損較為嚴(yán)重的位置在中間承料位置，此處工作過程中工作條件最惡劣。進(jìn)一步的磨損將會(huì)出現(xiàn)中部槽漏洞，導(dǎo)致煤炭輸送過程中出現(xiàn)煤炭滲漏的情況，給煤炭企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。觀察結(jié)果顯示，本臺(tái)刮板輸送機(jī)中部槽相較于其他刮板輸送機(jī)磨損較快，已經(jīng)成為亟待解決的問題。因此，有必要進(jìn)行刮板輸送機(jī)中部槽磨損機(jī)理分析研究，進(jìn)一步提出改進(jìn)策略，對(duì)于提高刮板輸送機(jī)中部槽使用壽命，保證企業(yè)煤炭產(chǎn)量和效率意義重大。

圖1 中部槽磨損實(shí)物

2 仿真分析

2.1 輸送機(jī)建模

運(yùn)用SolidWorks 建立刮板輸送機(jī)三維模型，如圖2 所示，進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，之后將三維模型導(dǎo)入EDEM仿真計(jì)算軟件進(jìn)行前處理，進(jìn)行材料屬性的設(shè)置。整個(gè)刮板輸送機(jī)模型材質(zhì)設(shè)置為鋼，剪切模量數(shù)值為70 MPa、泊松比數(shù)值為0.3、密度取7 800 kg/m3。

圖2 刮板輸送機(jī)簡(jiǎn)化模型

2.2 煤顆粒建模

刮板輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿禾拷Y(jié)構(gòu)參數(shù)千差萬別，不管是煤炭的顆粒直徑還是形狀都是不一樣的，為了更好的建立煤炭模型，建模時(shí)選擇具有代表性的煤顆粒形狀進(jìn)行計(jì)算。在EDEM 仿真計(jì)算軟件中進(jìn)行煤顆粒模型建立，填充合適大小的球顆粒，如圖3 所示，煤顆粒直徑數(shù)值為45 mm。之后進(jìn)行材料屬性設(shè)置，其中剪切模量數(shù)值為200 MPa、泊松比為0.3、密度數(shù)值為1 500 kg/m3、顆粒質(zhì)量為0.525 kg。

圖3 煤顆粒模型

2.3 煤矸石模型建立

煤矸石模型建立的目的是模擬煤散料輸送過程中的實(shí)際情況，使其對(duì)輸送機(jī)的磨損仿真分析更加準(zhǔn)確。煤散料中涉及巖石和其他物料，是刮板輸送機(jī)中部槽磨損的主要顆粒物質(zhì)。在EDEM 仿真計(jì)算軟件中進(jìn)行煤顆粒模型建立，填充合適大小的球顆粒，如圖4 所示，煤矸石顆粒粒徑為60 mm。材料屬性如下：剪切模量數(shù)值為50 MPa，泊松比為0.35，密度為2 600 kg/m3。

圖4 煤矸石模型

2.4 顆粒工程創(chuàng)建

在EDEM 軟件中，顆粒工廠定義了仿真中顆粒生成的位置和時(shí)間。根據(jù)刮板輸送機(jī)額定運(yùn)量（0.3 t/s）和調(diào)高范圍（2～3.5 m），確定在Creator 的Geometry面板設(shè)置顆粒工廠的位置參數(shù)和個(gè)數(shù)，采用兩個(gè)顆粒工廠生成兩種不同參數(shù)的煤顆粒，每個(gè)顆粒工廠的位置坐標(biāo)為（0，-150，200），大小尺寸為1 200 mm×550 mm。顆粒工廠運(yùn)行方向與刮板同向，速度數(shù)值為0.13 m/s，顆粒產(chǎn)生速率為0.3 t/s，產(chǎn)生時(shí)間為8 s，均從0 時(shí)刻開始，生成顆粒的最大嘗試次數(shù)為20 次，顆粒尺寸固定不變。

2.5 接觸模型與參數(shù)設(shè)置

仿真設(shè)計(jì)中使用Hertz-Mindlin（no slip）模型可以精確且高效地計(jì)算顆粒之間的接觸與碰撞。仿真過程中各個(gè)物質(zhì)之間的接觸參數(shù)如下：煤煤之間靜摩擦系數(shù)為0.6，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05；煤鋼之間靜摩擦系數(shù)為0.4，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05；煤煤矸石之間靜摩擦系數(shù)為0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05；矸石矸石之間靜摩擦系數(shù)為0.3，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.02；矸石鋼之間靜摩擦系數(shù)為0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.01；磨損常數(shù)設(shè)置為（0.8～4.1）×10-12m2/N。

3 仿真計(jì)算

3.1 仿真參數(shù)

仿真過程參數(shù)中直接從Rayleigh 時(shí)間步長管理器中設(shè)置，之后轉(zhuǎn)入軟件自帶求解器進(jìn)行仿真時(shí)間設(shè)置，選擇8 s 為單次仿真時(shí)間分析中部槽磨損情況。仿真計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)間隔選擇0.01 s，然后點(diǎn)擊Estimate CellSize，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)最小顆粒尺寸定義最合理的網(wǎng)格尺寸。設(shè)置完成，運(yùn)行仿真。

3.2 運(yùn)輸流程

完成刮板輸送機(jī)輸送物料過程仿真參數(shù)設(shè)置之后即可啟動(dòng)EDEM 仿真計(jì)算軟件進(jìn)行仿真分析，調(diào)出仿真總體模型，如圖5 所示。圖5 中涉及的煤料中主要是煤顆粒和煤矸石顆粒，白色的屬于煤矸石，粒徑尺寸為45mm，其余全部是煤顆粒，粒徑尺寸為60mm。仿真過程中煤顆粒顏色以其速度大小進(jìn)行區(qū)分，其中藍(lán)色速度最小，綠色居中，紅色速度最大。模型中煤料下落至刮板輸送機(jī)中部槽時(shí)速度達(dá)到最大，之后與中部槽內(nèi)的煤料碰撞，速度變小。煤料跟隨刮板遷移，出現(xiàn)煤料的振蕩，煤料顆粒粒徑會(huì)導(dǎo)致其在中部槽的分布情況，煤矸石逐漸上移，煤顆粒向下沉，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是煤矸石體積大于煤顆粒。由圖5 還可以看出，在顆粒運(yùn)動(dòng)方向靠近刮板的區(qū)域煤顆粒分布較多，遠(yuǎn)離刮板的區(qū)域煤顆粒分布較少。

圖5 仿真模型

3.3 仿真結(jié)果

刮板輸送機(jī)中部槽與煤料仿真計(jì)算完成之后提取中部槽磨損深度分布云圖，如圖6 所示，在刮板輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定之后，移動(dòng)中的煤料主要集中在中部槽，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)輸摩擦，刮板鏈位置的煤料壓力最大，必將會(huì)導(dǎo)致中部槽出現(xiàn)凹槽磨損情況。由圖1可知，中部槽實(shí)際工作過程中磨損區(qū)域也是集中在中部槽鏈道處，磨損形狀為凹槽形，由刮板輸送機(jī)運(yùn)輸流程可得，出現(xiàn)磨損問題主要是由煤料、刮板鏈和中部槽共同造成的。綜上，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際磨損情況相吻合，得出了刮板輸送機(jī)中部槽出現(xiàn)磨損問題的原因，對(duì)于進(jìn)一步改進(jìn)提高中部槽的使用壽命具有重要意義。

圖6 中部槽磨損仿真結(jié)果

4 改進(jìn)策略與應(yīng)用

通過仿真計(jì)算結(jié)果分析得出刮板輸送機(jī)中部槽出現(xiàn)磨損是由煤料、刮板鏈和中部槽共同造成的，因此得出一下改進(jìn)策略。第一是控制采煤機(jī)采煤參數(shù)，盡量得到均勻粒徑的煤炭，避免較大粒徑煤炭出現(xiàn)；第二是控制刮板鏈的張緊程度，避免中部槽鏈道處過早出現(xiàn)磨損；第三是提高中部槽位置的板料厚度或者更換強(qiáng)度更高、耐磨性更高的材料制備。基于上述刮板輸送機(jī)改善中部槽磨損問題的策略及實(shí)現(xiàn)難易程度，選擇了調(diào)整刮板鏈張緊程度完成改進(jìn)。后續(xù)應(yīng)用結(jié)果表明，改進(jìn)之后刮板輸送機(jī)中部槽磨損出現(xiàn)的時(shí)間延長了約2 個(gè)月，使用壽命得到了提高，改進(jìn)效果顯著。

5 結(jié)語

刮板輸送機(jī)作為煤炭企業(yè)必不可少的輸送設(shè)備，其工作的可靠性至關(guān)重要。針對(duì)某煤炭企業(yè)使用的刮板輸送機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)中部槽磨損嚴(yán)重的問題，借助有限元仿真分析方法，開展了中部槽磨損問題分析，結(jié)果表明，中部槽出現(xiàn)磨損主要是由煤料、刮板鏈和中部槽共同造成的。之后提出了可以改進(jìn)中部槽磨損問題的策略，選擇調(diào)整刮板鏈張緊程度的方法進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果表明，中部槽磨損問題得到了改善，使用壽命提高了2 個(gè)月，對(duì)進(jìn)一步提高刮板輸送機(jī)中部槽使用壽命具有重要的參考價(jià)值。