基于離散元的刮板輸送機中部槽中板磨損仿真分析

張 丹，周子楊

黑龍江科技大學(xué)機械工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150022

中國 90% 以上的煤礦生產(chǎn)作業(yè)是在地下進行，生產(chǎn)設(shè)備面臨工作環(huán)境惡劣、工況條件苛刻、運行時間長、潤滑條件差等難題，因此，由關(guān)鍵零部件磨損造成設(shè)備磨損失效的現(xiàn)象極其嚴重[1]。在長期的運行過程中，中部槽會受到嚴重磨損，由此引發(fā)的設(shè)備故障和安全事故時有發(fā)生，給維修及保養(yǎng)帶來極大困難，經(jīng)濟成本消耗巨大[2-3]，因此中部槽的抗磨性能對刮板輸送機在工作面的可靠性和使用壽命有著直接影響[4-5]。

中部槽作為刮板輸送機的核心部件，在運輸過程中承受來自煤、矸石、刮板鏈及刮板的劇烈摩擦。我國煤礦開采的煤矸石產(chǎn)率在 5%～ 10% 之間，洗煤廠洗原煤的含矸率在 18%～ 20% 之間[6]，由于煤與矸石在硬度、抵抗沖擊破碎的能力上存在較大差異，含矸率決定了中部槽磨損的劇烈程度[7]。近年來眾多學(xué)者對中部槽磨損進行了大量研究，并取得了豐碩的研究成果。當(dāng)刮板推送前進時，僅由煤巖顆粒與中板形成的磨損為兩體磨粒磨損；當(dāng)散料作為磨粒介質(zhì)進入刮板、刮板鏈與中部槽等相對運動的零部件之間時，形成的磨損為三體磨粒磨損[8]。有學(xué)者研究了含矸率、含水率、煤散料粒徑、刮板鏈速度、法向載荷等多因素對中部槽的磨損影響，彌補了中部槽摩擦學(xué)在磨損理論分析中的不足[9]，這對中部槽磨損分析有所幫助；另外在考慮不同煤種的影響下，應(yīng)用離散元法分析煤散料運輸狀態(tài)，是分析中部槽磨損的重要過程[10]；也有研究表明，鏈輪參數(shù)、刮板材質(zhì)均是影響中板磨損的因素[11]。

前人對中部槽磨損研究已較為深入，但對于中部槽磨損的相關(guān)研究，一般僅將煤顆粒自身物理特性作為主要磨損因素，且僅進行了定性分析，缺少結(jié)合不同因素下數(shù)值模擬技術(shù)的定量分析。

1 刮板輸送機中部槽中板磨損模型

Archard 磨損理論是基于刮板輸送機中部槽中板表面與煤散料相接處時，接觸表面有多個表面微凸體接觸作用的假設(shè)[12]，從微觀層面分析中板產(chǎn)生的磨損可應(yīng)用累計方法，將推煤工作分為多個工作周期，與仿真相結(jié)合預(yù)測元件磨損量。接觸應(yīng)力與相對滑移距離對中板磨損體積的影響表示為

式中：V為中板磨損體積，mm3；K為接觸磨損常數(shù)，mm2/N；W為中板所受平均法向載荷，N；H為中板表面硬度；s為磨粒的滑移行程，mm。

磨粒磨損的簡化模型如圖1 所示。

圖1 磨粒磨損模型Fig.1 Model of abrasive wear

將中板表面存在的硬質(zhì)凸起煤磨?；蛘邊⑴c磨損的其他硬質(zhì)顆?？醋鲌A錐體，當(dāng)磨粒受到法向載荷W時，硬質(zhì)磨粒的一部分會鑲嵌到中板的接觸表面；當(dāng)磨粒與中板接觸表面產(chǎn)生滑移行程s時，中板的接觸表面形成微觀切削效果[9]。建立簡化磨損模型為

式中：r為磨粒圓錐體底面半徑，mm；x為壓痕深度，mm。

由上述模型可知：中板的磨損體積與中板所受的法向載荷W、磨粒的滑移行程s成正比，與中板材料的硬度、磨粒圓錐錐角成反比。此磨損模型與Archard 磨損模型中各因素造成的影響趨勢相符。假設(shè)在中板磨損面的任意節(jié)點q處，K在每次磨損中呈現(xiàn)出的性質(zhì)相同，中板所受法向載荷W為煤顆粒與矸石自重，在此種工況下發(fā)生了第 ΔN次磨損后，磨損總體積表示為

式中：Vq,n為磨粒在中板節(jié)點q處所產(chǎn)生n次增量步的磨損總體積，mm3；Vq,n-1為磨粒在中板節(jié)點q處所產(chǎn)生n-1 次增量步的磨損總體積，mm3；Wq,n為磨粒在中板節(jié)點q處第n次增量步的法向載荷，N；Δsq,n為磨粒在中板節(jié)點q處第n次增量步的相對滑移增量，mm。

2 基于 EDEM 的刮板輸送機中部槽中板磨損仿真

2.1 刮板輸送機中部槽三維模型參數(shù)

以SGZ630/220 型刮板輸送機作為研究對象，表1 所列為 SGZ630/220 型刮板輸送機的基本配置。

表1 SGZ630/220 型刮板輸送機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of SGZ630/220 scraper conveyor

該型號刮板輸送機的中板材料為 NM400，泊松比為 0.3，材料密度為 7 910 kg/m3，屈服強度約為 738 MPa。中部槽的結(jié)構(gòu)主要包括中板、底板、槽幫等[13]。參照 SGZ630/220 型刮板輸送機建立三維模型，在 SolidWorks 中建立其簡化模型。圖2 所示為 SGZ630/220 型刮板輸送機中部槽三維模型，圖3所示為 SGZ630/220 型刮板輸送機中部槽簡化三維模型。由于 EDEM 中網(wǎng)格較為稀疏，無法觀測到中板的磨損分布，通過 Ansys Mesh 劃分更加細致的網(wǎng)格，得到刮板輸送機中部槽簡化三維模型的有限元模型 (見圖4)，圖5 為輸送機中板平面的三維有限元模型局部放大圖。對刮板輸送機中部槽網(wǎng)格模型進行賦值，將模型中的刮板與中部槽視為各向同性材料，均采用表2 所列的 NM400，其密度為 7 910 kg/m3，彈性模量為 7 100 MPa，泊松比為 0.3。

表2 NM400 的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of NM400 %

圖2 SGZ630/220 型刮板輸送機中部槽三維模型Fig.2 3D model of middle groove of SGZ630/220 scraper conveyor

圖3 SGZ630/220 型刮板輸送機中部槽簡化三維模型Fig.3 Simplified 3D model of middle groove of SGZ630/220 scraper conveyor

圖4 刮板輸送機中部槽有限元模型Fig.4 Finite element model of middle groove of scraper conveyor

圖5 有限元模型局部放大Fig.5 Partial enlargement of finite element model

2.2 矸石顆粒、煤顆粒的三維模型

煤顆粒的物理特性對中部槽的磨損有著重要影響。生成的顆粒尺寸過大，會導(dǎo)致顆粒生成失敗的次數(shù)變多，難以生產(chǎn)有效顆粒數(shù)。從仿真設(shè)備的尺寸大小考慮，并查閱相關(guān)文獻 [14-16]，不同開采條件下原煤粒徑分布有差異，考慮到仿真中各顆粒的粒徑能接近真實，確定煤散料顆粒粒徑范圍為 20～ 45 mm，并利用篩網(wǎng)篩分出煤顆粒的大顆粒 (粒徑為 40～ 45 mm)、中顆粒 (粒徑為 25～ 40 mm) 和小顆粒 (粒徑為 20～ 25 mm)；同時根據(jù)試驗方案[16]參考，得到矸石顆粒粒徑級配的大顆粒 (粒徑為 15～ 20 mm)、中顆粒 (粒徑為 10～ 15 mm) 和小顆粒 (粒徑為 0～ 10 mm)。針對煤巖顆粒的實際形態(tài)特征建立煤巖三維模型。圖6 所示為矸石顆?；A(chǔ)模型，粒徑約為 12 mm，泊松比為 0.35，剪切模量為 500 MPa，密度為2 600 kg/m3。圖7 所示為煤顆?；A(chǔ)模型，粒徑約為5 mm，泊松比為 0.33，剪切模量為 470 MPa，密度為1 500 kg/m3。

圖6 矸石顆粒模型Fig.6 Model of gangue particle

圖7 煤顆粒模型Fig.7 Model of coal particle

SGZ630/220 型刮板輸送機的額定輸送量為 97.22 kg/s。參考試驗研究基礎(chǔ)[17]，將煤顆粒生成速度設(shè)置為 90 kg/s，刮板推送的方向設(shè)定為x正方向，與x方向水平垂直且與x軸正方向逆時針夾角為 90°的方向為y正方向，豎直方向為z正方向。煤顆粒的初速度在x方向為 1 m/s、y方向為 0 m/s、z方向為 -0.2 m/s，仿真時間約為 3 s，磨損常數(shù)為 1.0×10-12mm2/N。在仿真中將煤與煤之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)置為 0.5，靜摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.6，滾動摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.05；將煤與中板之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)置為 0.5，靜摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.4，滾動摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.05。

2.3 刮板輸送機中部槽中板磨損仿真結(jié)果

中板仿真結(jié)束后所呈現(xiàn)的磨損量可表述為：單位體積的磨損量與單位面積之比，即磨損深度。根據(jù)上述仿真參數(shù)，模擬中部槽磨損仿真試驗，可將刮板輸送機的工作過程分為 3 個階段。

第1 階段為落煤階段：0～ 0.24 s 時，為落煤還未接觸中板階段 (見圖8)，圖9 所示為該階段中板的磨損云圖，中板磨損云圖上未見灰色外其他顏色，因此中板未產(chǎn)生磨損；0.24～ 1.00 s 時，為煤顆粒掉落后接觸到中板階段，此時落煤在中板上形成堆積角 (見圖10)，圖11 所示為該階段中板的磨損云圖，中板磨損云圖右側(cè)有白色沖擊點，煤顆粒對中板右側(cè)產(chǎn)生輕微的沖擊磨損。

圖8 0.24 s 時顆粒生成模擬Fig.8 Simulation of particle generation at 0.24 s

圖9 0.24 s 時中板的磨損云圖Fig.9 Wear contour of middle plate at 0.24 s

圖10 1.00 s 時顆粒生成模擬Fig.10 Simulation of particle generation at 1.00 s

圖11 1.00 s 時中板的磨損云圖Fig.11 Wear contour of middle plate at 1.00 s

第 2 階段為初始運輸階段：1.00 s 后刮板開始工作，如圖12 所示，此時煤料堆積最嚴重，煤顆粒與中板接觸面積最小，圖13 所示為該階段中板的磨損云圖，刮板從中板右側(cè)開始推送煤料，右側(cè)產(chǎn)生了較為明顯的摩擦痕跡，圖13 中白色區(qū)域為磨損較嚴重部位。刮板通過單塊中板用時約為 1.42 s，1.00～ 2.40 s 刮板開始作業(yè)，中板產(chǎn)生摩擦磨損。

圖12 2.04 s 時顆粒生成模擬Fig.12 Simulation of particle generation at 2.04 s

圖13 2.04 s 時中板的磨損云圖Fig.13 Wear contour of middle plate at 2.04 s

第3 階段為穩(wěn)定運輸階段：2.40 s 后刮板運輸逐步穩(wěn)定，該階段模擬效果如圖14 所示，圖15 所示為該階段中板的磨損云圖，此時鏈道下方區(qū)域由于刮板鏈夾雜著煤料的摩擦，白色區(qū)域更為突出，磨損更嚴重。當(dāng)刮板輸送機運行至 2.62 s 時，中板的平均磨損達到 4.28×10-6mm，平均磨損深度增大趨勢逐漸平穩(wěn)。圖16 所示為中板平均磨損深度曲線。

圖14 2.45 s 時顆粒生成模擬Fig.14 Simulation of particle generation at 2.45 s

圖15 2.45 s 時中板的磨損云圖Fig.15 Wear contour of middle plate at 2.45 s

圖16 中板平均磨損深度曲線Fig.16 Curve of average wear depth of middle plate

3 個階段結(jié)束后，中板磨損云圖如圖17 所示，鏈道下方較其他部位磨損更加嚴重，證明中板、刮板鏈以及煤顆粒之間形成的三體磨損會對中板整體磨損有著較大影響，這與實際工況下中部槽中板磨損最嚴重的部位所在情況較為符合。參考試驗研究基礎(chǔ)[18]，經(jīng)推算在模擬試驗過后產(chǎn)生磨損深度約為 4.38×10-6mm，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相近，可作為參考依據(jù)。由于煤渣會滯留在磨損槽中進一步形成三體磨損，從而擴大磨損深度，加大磨損體積，使中板的使用壽命大幅度縮減，經(jīng)式 (3) 推算可得，5 個月后，中板的平均磨損深度約為 33.41 mm，中板的過煤量約為 78.72 萬 t。

圖17 中板磨損云圖Fig.17 Wear contour of middle plate

3 不同因素下中板磨損分析

3.1 單一因素對中板磨損深度影響分析

對煤顆粒硬度、含矸率、煤顆粒粒徑三者進行六等水平劃分，讓刮板輸送機在多參數(shù)下進行仿真，得到刮板輸送機中部槽中板在三因素、六等差水平下的平均磨損深度，并得出中板磨損影響三因素的權(quán)重。

3.1.1 煤顆粒硬度對中板磨損的影響

由式 (1) 可知，磨損常數(shù)K會影響磨損體積，磨損常數(shù)通常與煤的物理性質(zhì)相關(guān)，在理論計算上，磨損常數(shù)K能體現(xiàn)煤顆粒硬度，磨損常數(shù)通常在 0.8×10-12～ 4.0×10-12mm2/N 之間[19]，分別取1.0×10-12～ 3.5×10-12mm2/N，等差為 0.5×10-12mm2/N的 6 組參數(shù)，得到平均磨損深度分別為 3.82×10-6、9.36×10-6、1.64×10-5、2.34×10-5、4.06×10-5、5.66×10-5mm。各磨損常數(shù)下中板產(chǎn)生的平均磨損深度曲線如圖18 所示。由圖18 可知，中板平均磨損深度與煤顆粒硬度成正比，同組仿真中，磨損常數(shù)由 1.0×10-12mm2/N 增大到 3.5×10-12mm2/N，中板的平均磨損深度增大了約 14 倍，隨著磨損常數(shù)持續(xù)增大，中板平均磨損深度增大幅度逐漸平穩(wěn)。結(jié)果表明，被開采煤的物理特性不同，對中板造成的磨損影響也有所區(qū)別，煤顆粒的硬度越高，對中板的切削作用越明顯，造成的磨損越嚴重。

圖18 各磨損常數(shù)下平均磨損深度曲線Fig.18 Curve of average wear depth under various wear constants

3.1.2 含矸率對中板磨損的影響

由于矸石的含量影響中部槽的磨損程度，為研究含矸率對中板的磨損影響，仿真中煤與煤之間以及煤與中板之間的接觸參數(shù)均不變，添加煤與矸石之間的恢復(fù)系數(shù)為 0.5，靜摩擦因數(shù)為 0.5，滾動摩擦因數(shù)為 0.05；同時將 90 kg 運輸物料的含矸率分別取 0～ 25%，等差為 5% 的 6 組參數(shù)，得到平均磨損深度分別為 3.82×10-6、4.62×10-6、6.03×10-6、7.27×10-6、8.23×10-6、8.94×10-6mm。不同含矸率下平均磨損深度曲線如圖19 所示。由圖19 可知，中板平均磨損深度與含矸率成正比，同組仿真中，當(dāng)含矸率從 0 增大到 25% 時，中板磨損深度增大了約 2倍，含矸率與平均磨損深度成正比且趨勢穩(wěn)定。由于矸石的硬度高于煤的硬度，在不同的開采環(huán)境下，運輸物料中含矸率越高，對中板造成的磨損越嚴重。

圖19 各含矸率下平均磨損深度曲線Fig.19 Curve of average wear depth under various gangue contents

3.1.3 煤顆粒粒徑對中板磨損的影響

由于平均粒徑的增加會對磨損產(chǎn)生直接影響[20]，為研究煤顆粒粒徑對中板磨損的影響，煤顆粒粒徑分別取 20～ 45 mm，等差為 5 mm 的 6 組參數(shù)，此時中板產(chǎn)生的平均磨損深度分別為 2.43×10-6、3.18×10-6、3.82×10-6、5.97×10-6、7.18×10-6與9.89×10-6mm。各煤顆粒粒徑下平均磨損深度曲線如圖20 所示。由圖20 可知，中板平均磨損深度與煤顆粒粒徑成正比，同組仿真中，煤顆粒粒徑從 20 mm 增大到 45 mm，中板平均磨損深度增大了約 4 倍。由于煤顆粒粒徑越大，煤顆粒自身質(zhì)量就越大，單顆煤塊與同質(zhì)量的散煤相比，與中板的接觸面積更小，因此產(chǎn)生的局部壓載更大，對中板造成的磨損越嚴重。

圖20 各煤顆粒粒徑下平均磨損深度曲線Fig.20 Curve of average wear depth under various coal particle sizes

3.2 多因素對中板磨損深度影響分析

取煤顆粒粒徑A、磨損常數(shù)B、含矸率C為設(shè)計因素，依據(jù)表4 中的試驗配置方案，對A、B、C三因素進行正交模擬試驗，正交因素水平如表3 所列，以中部槽中板平均磨損深度為評價標(biāo)準，對試驗結(jié)果進行極差分析，結(jié)果如表5 所示。其中Ki為因素水平之和 (i=1，2，3，4，5，6)；為因素水平均值；R為極差；S為均方差。

表3 正交因素水平Tab.3 Orthogonal factor levels

表4 試驗配置方案及結(jié)果Tab.4 Scheme and results of test configuration

表5 中部槽中板磨損深度極差分析Tab.5 Range analysis of wear depth of middle plate in middle groove nm

以各因素水平作為自變量，中部槽中板平均磨損深度作為因變量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到各因素水平趨勢如圖21 所示。通過極差分析法得到中部槽中板平均磨損深度的主要影響因素，極差分析結(jié)果為R(A) ＞R(B)＞R(C)，可以看出，煤顆粒粒徑對中部槽中板平均磨損影響最大，含矸率對其影響最小。中板平均磨損深度與煤顆粒粒徑呈正比，是由于煤顆粒粒徑越大，單塊煤顆粒質(zhì)量越大，單顆煤塊與同質(zhì)量的散煤相比，與中板接觸面積更小，產(chǎn)生的局部壓載更大，對中板造成的磨損越嚴重；中板平均磨損深度與磨損常數(shù)呈正比，是由于煤顆粒硬度越高，對中板的切削作用越明顯，對中板造成的磨損越嚴重；中板平均磨損深度與含矸率呈正比，是由于矸石顆粒的硬度高于煤顆粒，因此含矸率越高，對中板造成的磨損越嚴重。

圖21 中板平均磨損深度因素水平趨勢Fig.21 Horizontal trend of average wear depth factor for middle plate

4 結(jié)論

(1) 刮板剛開始工作，煤堆穩(wěn)定性被破壞，此時運輸阻力最大，煤顆粒與中板的接觸面積最小，中板與直接接觸的煤之間產(chǎn)生的相對滑移距離較小，因此磨損量較??；刮板勻速工作初期，部分煤顆粒掉落至刮板鏈下端，形成三體磨損，此時中板磨損急劇增大；刮板勻速工作后，中板平均磨損量增幅較穩(wěn)定。

(2) 隨著煤顆粒粒徑的增大、含矸率的提高、煤顆粒硬度的變大，中板平均磨損深度逐漸增大；在該三種因素持續(xù)增大的條件下，平均磨損深度增大的趨勢逐漸平穩(wěn)。

(3) 三種因素下，煤顆粒粒徑對中板磨損影響最顯著，磨損常數(shù)對中板磨損影響其次，含矸率對中板磨損影響最小，在生產(chǎn)中板過程中對其表面進行強化處理，能降低磨損常數(shù)，延長中板使用壽命。

(4) 試驗表明中板、刮板鏈與煤顆粒之間形成的三體磨損，嚴重影響中板磨損，刮板輸送機工作周期長，磨粒反復(fù)切削中板表面，切削過后的中板表面容易形成凹槽、坑洼，極易滯留煤炭顆粒殘渣，更多煤顆粒夾雜在中板與刮板鏈之間，直接造成更多次的三體磨損。一方面可以對刮板鏈下方的中板材料進行針對性強化，延長中板使用壽命；另一方面也可以對刮板鏈進行拉緊，讓刮板鏈騰空不拖行于中板，無法形成中板與刮板鏈夾擊煤顆粒的局面，是有效減少三體磨損的方法，也是延長中板使用壽命的有效途徑。