離散煤料與轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)磨損關系的研究

秦 翥

中煤科工集團上海有限公司 上海 200030

轉(zhuǎn)運系統(tǒng)作為無人化煤礦綜采工作面的關鍵裝備，對截割后離散煤料的轉(zhuǎn)運軌跡進行有效約束，在安全、連續(xù)生產(chǎn)中起著至關重要的作用[1]。但在實際工程中，設計人員根據(jù)經(jīng)驗及對煤料特性的熟悉程度，通過查找設計手冊完成轉(zhuǎn)運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的選型與裝配，難以實現(xiàn)精益制造。據(jù)統(tǒng)計，轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中約 80% 以上的停機用于轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)維護。因煤料高強度、長時間的沖擊與碰撞，使包括頭部擋板、底部襯板在內(nèi)的轉(zhuǎn)運關鍵部件磨損較為嚴重，對其修繕、更換約占停機維護主因的 47.6%[2]。目前，國內(nèi)外主要通過對頭部擋板、底部襯板定期檢修、周期性更換部件的方式，來降低因其磨損嚴重對轉(zhuǎn)運系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)造成的影響，但因缺少針對結(jié)構(gòu)參數(shù)與離散煤料轉(zhuǎn)運軌跡間的關系研究[3]，難以有效解決因轉(zhuǎn)運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計不合理造成的磨損問題。

針對離散煤料在轉(zhuǎn)運過程中造成關鍵部件磨損的原因，筆者使用在區(qū)域時間內(nèi)，單元煤料對轉(zhuǎn)運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的沖擊作用力進行分析。由分析可知，轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中的卸料輸送帶帶速、曲率半徑參數(shù)與煤料對頭部擋板、底部襯板的磨損具有關聯(lián)關系。采用 EDEM BulkSim 離散元仿真軟件對曲線型轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬[4]，利用 Hertz-Mindlin with JKR、Archard Wear及 Standard Rolling Friction 模型，對不同卸料輸送帶帶速下，煤料對頭部擋板、底部襯板的磨損深度進行分析；對不同曲率半徑下，煤料對底部襯板的磨損過程進行仿真。通過研究，旨在為煤料轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐，并有效降低轉(zhuǎn)運過程中，煤料對頭部擋板、底部襯板的磨損[5-6]。

1 轉(zhuǎn)運系統(tǒng)關鍵部件磨損原因分析

1.1 頭部擋板磨損原因分析

轉(zhuǎn)運過程中，煤料間、煤料與轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)部件間的磨損類型可分為黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損以及腐蝕磨損，通常會呈現(xiàn)一種磨損類型為主、其他磨損類型共生的現(xiàn)象[7-8]。根據(jù)實際工況，轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)中頭部擋板、底部襯板的磨損問題較為突出[9]，究其原因主要在于轉(zhuǎn)運煤料對頭部擋板及底部襯板的沖擊作用力過大、持續(xù)時間過長[10]。

單元煤料對頭部擋板的沖擊作用力如圖1 所示，根據(jù)動量守恒定律，相關力學模型可用式 (1) 表示：

圖1 單元煤料對頭部擋板的沖擊作用力意Fig.1 Impact force of unit coal material on head baffle

式中：Fn1為單元煤料對頭部擋板的法向沖擊作用力，kg·(m·s-2)；t1為單元煤料從卸料輸送帶到頭部擋板垂直距離為H1時所用的時間，s；Δm為單元煤料的質(zhì)量，kg；v0為單元煤料進入轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的初始速度，t/s；g為單元煤料的重力加速度，m/s2；θ1為該單元煤料所處位置與頭部擋板的傾角，(°)。

從式 (1) 可以看出，當轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)參數(shù)固定時，單元煤料進入轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的初始速度與煤料對頭部擋板的法向沖擊作用力成正比；單元煤料進入轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的初始速度與卸料輸送帶帶速相同，因此，卸料輸送帶帶速應與煤料對頭部擋板的法向沖擊作用力成正比，即卸料輸送帶帶速與頭部擋板的磨損程度成正比。

1.2 底部襯板磨損原因分析

曲線型轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中，單元煤料對底部襯板的沖擊作用力如圖2 所示，相關力學模型可以用式 (2) 表示：

圖2 單元煤料對底部襯板的沖擊作用力Fig.2 Impact force of unit coal on bottom liner

式中：Fn2為單元煤料對底部襯板的法向沖擊作用力，kg·(m·s-2)；t2為單元煤料從卸料輸送帶到達底部襯板所用的時間，s；θ2為該單元煤料所處位置與底部襯板的傾角，(°)；r為轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)的曲率半徑，m。

從式 (2) 可以看出，當轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)參數(shù)固定時，單元煤料進入轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的初始速度與煤料對底部襯板的法向沖擊作用力成正比；單元煤料進入轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的初始速度與卸料輸送帶帶速相同，因此，卸料輸送帶帶速應與煤料對底部襯板的法向沖擊作用力成正比，即卸料輸送帶帶速與底部襯板的磨損程度成正比；而轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)的曲率半徑與煤料對底部襯板的沖擊作用力成反比，即轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)的曲率半徑與底部襯板的磨損程度成反比。

2 仿真模型建立

2.1 三維仿真模型

根據(jù)工程實例，利用三維建模軟件建立曲線型轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的幾何模型，如圖3 所示。其中，上下滾筒直徑均為 1 040 mm，上下行輸送帶垂直距離為 8 800 mm，運量為 7 000 t/h，上下行輸送帶帶寬為 1 800 mm，煤料與頭部擋板的夾角為 12.5°，溜槽傾角為42.5°。根據(jù)實際工況，通過不同數(shù)量、粒徑、位置的小球填充模板，形成扁平型、柱狀型、八角型 3種類型的單元煤料顆粒，其中，50 mm 粒徑煤料占比35.1%，100 mm 粒徑煤料占比 40.7%，150 mm 粒徑煤料占比 24.2%。

圖3 曲線型轉(zhuǎn)運系統(tǒng)幾何模型Fig.3 Geometric model of curve-type transport system

2.2 仿真參數(shù)設置

仿真過程中忽略煤料顆粒間的黏性[11]，且不考慮卸料過程中氣壓梯度對煤料流動特性的影響，采用單一變量法，討論離散煤料在不同卸料輸送帶帶速、曲率半徑下對頭部擋板、底部襯板的磨損情況。構(gòu)成待仿真曲線型轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)及輸送帶的材料分別為耐磨鋼、橡膠，轉(zhuǎn)運離散煤料為原煤[12-13]，仿真中設置煤、鋼、橡膠的本征參數(shù)如表1 所列。

表1 材料本征參數(shù)Tab.1 Material intrinsic parameters

仿真中的接觸關系包括：煤與煤、煤與鋼、煤與橡膠[14]，設置材料間接觸參數(shù)如表2 所列。

表2 材料間接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters between materials

離散元仿真軟件中的 Archard 模型常用于研究非連續(xù)形變磨損，可以較好地描述離散煤料在轉(zhuǎn)運過程中對轉(zhuǎn)運結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磨損[15]。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 不同卸料輸送帶帶速下頭部擋板的磨損分析

取轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的曲率半徑為 5 000 mm，通過查找DTⅡ(A) 型帶式輸送機設計手冊 (第 2 版)，確定匹配仿真結(jié)構(gòu)帶寬、運量的推薦卸料輸送帶帶速為 5.80 m/s，仿真中的重力加速度為 9.80 m/s2，仿真步長為 20%。仿真試驗取低于、高于 5.80 m/s 20%、40%的 5 組數(shù)據(jù)，即將卸料輸送帶帶速分別設置為 3.48、4.64、5.80、6.96、8.12 m/s，根據(jù)式 (3) 計算各帶速下對應的滾筒轉(zhuǎn)速。

式中：n為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；v卸為卸料輸送帶帶速，m/s；Dn為滾筒直徑，m。

利用離散元軟件完成仿真，導出相同數(shù)值比例尺下，不同卸料輸送帶帶速的頭部擋板磨損趨勢，如圖4 所示。

圖4 同比例尺不同帶速下頭部擋板磨損區(qū)域示意Fig.4 Diagram of wear area of head baffle under different belt speeds with same scale

從圖4 可以看出，當卸料輸送帶帶速較低時，因煤料與頭部擋板的接觸數(shù)量降低，頭部擋板的磨損區(qū)域面積較小、磨損深度數(shù)值較低；當卸料輸送帶帶速增加時，頭部擋板的磨損區(qū)域面積較大、磨損深度數(shù)值較高。在實際工況中，當卸料輸送帶帶速過高時，煤料卸運軌跡將拋射越過頭部擋板，造成頭部擋板邊側(cè)磨損問題加重，與仿真顯示情況一致。取各帶速在300 s 處頭部擋板的磨損深度，在專業(yè)統(tǒng)計軟件中進行分析，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同帶速下頭部擋板磨損深度對比Fig.5 Comparison of wear depth of head baffle under different belt speeds

從圖5 可以看出，卸料輸送帶帶速與頭部擋板的磨損深度成正比。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計，當卸料輸送帶帶速在推薦帶速 5.8 m/s 的 20% 范圍內(nèi)浮動時，頭部擋板磨損深度增幅比與卸料輸送帶帶速增幅比差值為3%。因此，在滿足運量的情況下，卸料輸送帶帶速若在不超過推薦帶速 20% 的范圍內(nèi)浮動時，頭部擋板受磨損影響將增幅放緩；若卸料輸送帶帶速調(diào)整數(shù)值超過推薦帶速的 20% 時，應當調(diào)整頭部擋板的物理距離，確保其在轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中控制煤流的轉(zhuǎn)運軌跡。

3.2 不同卸料輸送帶帶速下底部襯板的磨損分析

利用離散元軟件完成仿真，導出相同比例尺、不同卸料輸送帶帶速下的底部襯板磨損趨勢，如圖6 所示。

圖6 同比例尺不同帶速下底部襯板磨損區(qū)域示意Fig.6 Diagram of wear area of bottom liner under different belt speeds with same scale

從圖6 可以看出，不同卸料帶帶速對底部襯板的磨損深度影響較小，磨損區(qū)域隨卸料輸送帶帶速增加而增加，卸運煤料到達受料輸送帶的沖擊力也隨之增加，與實際工況反應一致。取各帶速在 300 s 處底部襯板的磨損深度，在專業(yè)統(tǒng)計軟件中進行分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同帶速下底部襯板磨損深度對比Fig.7 Comparison of wear depth of bottom liner under different belt speeds

從圖7 可以看出，底部襯板的磨損深度隨卸料輸送帶帶速的增加而增加。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計，當卸料輸送帶帶速在推薦帶速 5.80 m/s 的 20% 范圍內(nèi)浮動時，底部襯板磨損深度增幅比與卸料輸送帶帶速增幅比差值為 1%～5%。因此，在滿足運量的情況下，降低卸料輸送帶帶速，可以降低底部襯板的磨損情況；當卸料輸送帶帶速適當增加時，煤料對底部襯板的磨損影響程度較小。

3.3 不同曲率半徑下底部襯板的磨損分析

取卸料輸送帶帶速為推薦數(shù)值 5.80 m/s，分別設置轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的曲率半徑為 3 000、4 000、5 000、6 000、7 000 mm。利用離散元軟件完成仿真，導出相同數(shù)值比例尺、不同曲率半徑下的底部襯板磨損趨勢，如圖8 所示。

圖8 同比例尺不同帶速下底部襯板磨損區(qū)域示意Fig.8 Diagram of wear area of bottom liner under different belt speeds with same scale

從圖8 可以看出，不同曲率半徑對底部襯板的磨損位置、面積均有較大影響，且磨損數(shù)值隨曲率半徑增加而降低，可見，當曲率半徑增加時，煤料到達受料輸送帶的沖擊作用力較低，與實際工況一致。取不同曲率半徑下，300 s 時底部襯板的磨損深度最大數(shù)值進行統(tǒng)計，在專業(yè)統(tǒng)計軟件中進行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同曲率半徑下底部襯板磨損深度最大值對比Fig.9 Comparison of maximum wear depth of bottom liner under different curvature radius

從圖9 可以看出，底部襯板的磨損深度隨曲率半徑增加而減小。根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計，當曲率半徑在 5 000 mm 的 20% 范圍內(nèi)浮動時，底部襯板磨損深度增幅比與曲率半徑增幅比差值為 3%～27%。因此，在滿足工況的情況下，可適當增加轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的曲率半徑，有利于延長底部襯板的使用壽命，但當曲率半徑參數(shù)超過一定數(shù)值時，煤料對底部襯板的磨損影響程度減弱。

4 結(jié)論

(1) 通過沖擊作用分析得出曲線型轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中的卸料輸送帶帶速、曲率半徑與頭部擋板、底部襯板之間的磨損具有關聯(lián)關系，即頭部擋板、底部襯板的磨損隨卸料輸送帶帶速增加而增加，底部襯板的磨損隨曲率半徑的增加而減少。筆者通過建立三維模型，利用離散元仿真軟件對理論結(jié)果進行驗證。

(2) 對不同卸料輸送帶帶速下的頭部擋板、底部襯板進行磨損分析，驗證了推理結(jié)論的正確性。利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出當卸料輸送帶帶速在不超過推薦帶速20% 的范圍內(nèi)浮動時，頭部擋板所受磨損程度影響將等比例增加；當卸料輸送帶帶速調(diào)整數(shù)值超過推薦帶速的 20% 時，應當調(diào)整頭部擋板的物理距離，確保其在轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中控制煤流的轉(zhuǎn)運軌跡；當卸料輸送帶帶速增加時，煤料對底部襯板的磨損影響程度較小。

(3) 對相同卸料輸送帶帶速、不同曲率半徑下的底部襯板進行磨損分析，通過仿真趨勢圖可以得出，不同曲率半徑對底部襯板的磨損位置、磨損面積均有較大影響。利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，卸料輸送帶帶速與底部襯板的磨損深度成反比，若適當增加轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的曲率半徑，有利于延長底部襯板的使用壽命，但當曲率半徑參數(shù)超過一定數(shù)值時，煤料對底部襯板的磨損影響程度減弱。