关于刮板输送机中部槽结构的优化设计研究

刘剑峰

（霍州煤电集团吕临能化有限公司选煤厂， 山西 吕梁 033200）

引言

在采煤工作面中刮板输送机是用来运输煤矿的重要设备，可以实现井下煤矿的连续运输。主要由四大部分构成，分别为机尾部分、机头部分、传动部分和中间部分[1-2]。刮板输送机中的中部槽是比较关键的结构件，刮板输送机设备包含有很多个中部槽，其数量决定了刮板输送机整体长度。作为刮板输送机的重要运输单元，一旦中部槽在使用过程中出现损伤断裂，就会导致运输机械设备停机，进而影响生产效率[3-4]。中部槽总体结构相对复杂，生产制造过程牵涉到很多制造工艺，包括铸造、焊接等。中部槽作为消耗件，如果可以降低生产制造成本将会为企业节约大量成本[5-6]。本文对SGB-764/264 型号刮板输送机中部槽进行静力学分析，在此基础上对其结构进行了优化设计。本文的研究对于提升中部槽结构件的服役寿命，降低生产制造成本具有一定的实践意义。

1 中部槽结构模型的建立

1.1 三维结构模型的建立

对于刮板输送机而言，中部槽是其中非常重要的工作部件。在实际应用中两个中部槽之间的连接形式主要有两种，分别为圆环链式和纺锤式，本研究结合具体情况选择圆环链式连接方式进行建模。刮板输送机中部槽主要由四部分构成，分别为底板、中板、铲板槽帮和挡板槽帮。其中挡板槽帮上板中焊接垫板，将轨座和销轨安装在垫板上。在齿轮的作用下，采煤机可以在销轨上发生移动。另外，挡板槽帮中间部位还会伸出一个结构，该结构称为推移耳，液压机与该结构进行连接驱动中部槽发生移动。利用PRO/E 软件建立中部槽的三维结构，中部槽实际结构相对比较复杂，但是在建立三维模型时，不需要将所有的结构特征全部建模，这样反而会导致模型计算困难，无法得到想要的结果。因此需要对中部槽中一些不必要的结构进行简化，保留主要结构，比如小螺孔、凸台、倒角等都无需建模。除简化结构外，其他结构全部按照中部槽的真实规格尺寸建模。完成建模工作后，将其导出为stp 格式进行保存。

1.2 有限元模型的建立

将建立好的三维模型导入到MSC.Marc 非线性有限元软件中建立有限元模型，紧接着就是划分有限元网格。在静力学分析中，有限元网格尺寸是非常重要的参数，对整个计算过程和结果都有决定性的影响。网格数量越多，则计算过程越慢、计算结果越精确，相反的，如果网格数量越少，则计算过程越快但计算结果较粗糙。在划分网格时，首先需要确定划分何种形式的单元网格，有限元软件中有多种单元类型可供选择，不同的网络类型适用于不同场景，本文最终选择八节点六面体网格对中部槽结构进行网格划分，图1 所示为刮板输送机中部槽网格划分情况，共计划分了19 086 个单元，可以满足计算结果的要求并缩短整个模型的计算时间。

图1 刮板输送机中部槽网格划分情况

中部槽的生产制作材料通常为铸钢ZG30MnSi，这种材料的弹性模量和泊松比分别为202 GPa 和0.3，密度为7 800 kg/m3，将以上重要物理参数输入到有限模型中进行计算。正确的材料属性是得到精确结果的前提和条件，本文根据真实的材料属性来模拟分析中部槽的受力情况，能够得到期望的结果。另外，假设材料为线弹性材料，且具有各项同性的特征。刮板输送机主要在煤矿井下进行煤矿运输，矿井工作环境较复杂，使得刮板输送机的受力也比较复杂。本文按照刮板输送机在正常工作时的受力情况进行边界条件设置，具体而言：支架的推溜力和拉架力分别为400 kN 和500 kN，中槽板材料的许用应力值为380 MPa。完成上述所有设置后，可以在有限元软件中对所建立的模型进行计算分析，并得到相对应的结果。

2 中部槽结构静力学分析结果

图2 所示为刮板输送机中部槽静力学分析结果。从图2 中可以看出，在挡板槽帮的凸端头部位出现应力集中现象，该部位的应力值最大，最大应力值为301 MPa。虽然最大应力值与材料许用应力值之间存在一定差距，但是中部槽的整体受力非常不均匀。挡板槽帮的推移耳部位同样受力较大，整个挡板槽帮上板基本没有出现应力，只是在与推移耳相连接的部位出现了较大的应力集中现象。中板的整体受力也相对较小。基于模拟分析结果可知，中部槽在正常工作时最大应力值在材料许用应力值范围内，但是整体的受力情况非常不均匀，个别位置出现了较大的应力集中现象，但绝大部分部位却没有出现任何变形，应力值几乎为零。因此，中部槽结构仍然存在较大的优化空间。

图2 刮板输送机中部槽静力学分析结果

3 中部槽结构的优化设计

3.1 优化对象的选择

经过多年的发展，刮板输送机的结构已经基本定型。对于设备中的一些重要零部件，比如本文所述中部槽的铸造工艺已经形成了系统完备的生产工艺和生产设施。如果彻底颠覆中部槽结构进行重新设计，不仅难度较大，对于企业而言也不现实。如果设计一个全新的中部槽结构，那么企业就必须对该结构重新制定生产工艺，并配备对应的生产设备。这些都必须投入很大成本，经济效益相对较低。基于多方面考虑，本文拟对中部槽进行局部结构优化设计。为了保障中部槽的整体结构强度，对于受力较大的部位进行保留不做任何更改。而对于那些受力相对较小的部位，可以适当减小其规格尺寸，因为这些部位的受力相对较小，降低其规格尺寸不会影响整体的结构稳定性。通过这样的措施，确保在满足实际使用要求的前提下，尽可能降低生产制作成本。结合实践经验，本文主要对中部槽的两处位置进行优化改进，分别为挡板上平面宽度和底板厚度，这两个参数分别用a 和b 表示。如图3 所示为挡板上平面宽度和底板厚度在中部槽中的位置。分别将挡板上平面宽度a 由100 mm 降低至80 mm，底板厚度b 由20 mm降低至15 mm。

图3 中部槽优化对象部位示意图

3.2 优化结果分析

将优化后的刮板输送机中部槽结构进行重新建模并导入有限软件中进行计算分析，为了保障优化前后模拟计算结果的可对比性，划分的网格大小、设置的材料属性以及边界条件等全部与优化之前的模型相同。如图4 所示为优化改进后的中部槽静力学分析结果。从图4 中可以看出，与优化前的结果对比可以发现优化改进后，中部槽的变形更加均匀，很多部位都出现了不同程度的变形，出现了应力，但最大应力值只有256 MPa，与优化前的301 MPa 相比有一定程度的降低，降低幅度为14.95%。由此可见，将中部槽中一些受力不大结构件的规格尺寸降低后，将原来出现应力集中部位的应力转移到了其他部位，不但没有削弱中部槽的结构强度，反而使整个结构的变形更加均匀。

图4 刮板输送机中部槽优化后的静力学分析结果

另一方面，中部槽在优化前，通过三维软件可以计算得到其质量为1 113 kg，优化后由于降低了部分结构件的规格尺寸，其质量降低到了1 031 kg，降低幅度为7.37%。本文在对中部槽进行优化设计时并没有改变其整体结构特征，因此中部槽生产加工企业不需要对生产制造工艺进行较大的调整，只需要稍微调整就能够继续生产，生产设备也可以不用更换。不管是从生产设备还是生产制造工艺角度，本方案的技术改造成本相对非常低。将本文的研究结果应用到实践中，取得了较好的效果。实践过程中，优化后的中部槽结构没有出现结构强度导致的各种故障问题，使用寿命较优化前提高了至少30%以上。另一方面，中部槽结构件整体质量的降低可以为企业节省大量的生产制造成本，取得了显著的经济效益。

4 结论

将挡板上平面宽度和底板厚度由原始的100 mm 和20 mm，分别降低至80 mm 和15 mm。改进后的中部槽受力更加均匀且最大应力值出现了一定程度降低。由于部分结构件规格尺寸降低，所以中部槽整体质量也有所降低。本文的优化改进方案在实践中取得了较好的应用效果，为企业创造了较好的经济效益，值得进一步推广使用。