基于ANSYS Workbench刮板输送机中部槽的结构分析

胡瑾

（西山煤电集团设计院，太原 030053）

0 引言

中部槽在刮板输送机中起着货载、支撑刮板链等重要作用，作为刮板输送机的主要机身构件，同时也为采煤机提供运行轨道和为所运输的物料提供承载，而中部槽自身的质量可以占到刮板输送机整机质量的70%以上，在实际的工作运行中，所输送的物料、刮板输送机自身的刮板、链条都会对中部槽产生一定的磨损，因此中部槽就成为了整个刮板输送机中磨损量和使用量最大的消耗构件。因此中部槽在工作运行过程中的磨损程度直接决定了刮板输送机的使用寿命[1]。

中部槽按其制造工艺可分为铸造槽帮、热轧槽帮，截面形状主要有Σ型、M型和D型，采用焊接工艺将中板、封底板、两侧的槽帮及相配套的端头连接件焊接组装完成。根据需要承受和输送的载荷，中部槽可以分为轻型、中型、重型。按本身的结构特点可以分为敞底式和封底式，按封底方式的不同可以分为整体式和分体式，按加工工艺可以分为压制式、轧制式及铸焊式；而中部槽可以根据不同的环境要求、工作状况，进行不同形式的组合分类，能够满足不同的实际工作情况。

在中部槽工作运行中，一方面为输送的物料提供支撑，另一方面为刮板链条提供轨道导向，同时还要承受液压支架的推拉载荷，在不同的工况条件和工作环境下，刮板输送机中部槽要受到刮板、链条、所运输的流动物料所产生的动载荷和摩擦，中部槽的工作场所往往在井下，在运行使用时，井下会产生具有腐蚀性的废水，从而加剧了中部槽的腐蚀，在实际的运行生产过程中，工况的复杂和环境的恶劣这就对中部槽自身的强度、硬度、加工工艺条件、使用安全性能有更高的要求，而高锰钢自身具有较好的耐磨性及一定的强度、硬度，往往被选为刮板输送机中部槽的制作材料。

1 刮板输送机运动分析

刮板输送机在煤矿井下工作运行时，主要的工作任务是：一是为采煤机的煤层切割运动提供运行轨道；二是推动整体的液压支护支架靠近煤层移动。因此刮板输送机的运行工况可以分为推流和拉架[2]。图2为推溜工况下的示意图。

图1 刮板输送机和采煤机、液压支架配套系统

图2 推溜工作状态示意图

在综采系统过程中，刮板输送机的中部槽是主要的易损构件，在整个系统进行机械化采煤过程中，主要受到以下几种载荷：

1）采煤机在进行煤层切割的过程中，主要受到的载荷是：采煤机的重力、牵引力；煤块对中部槽的冲击力；与煤层底板的摩擦力、对中部槽的支撑力；在运动过程中煤与链条的摩擦力。

2）刮板输送机在推溜工况时，受力的情况是：液压支护支架底座的推移装置对中部槽产生的推溜力，与哑铃销相连接的部位对其所产生的反作用力，在运行过程中煤层对其底板、侧板所产生的压力和摩擦力[3]。

3）在切割煤层的过程中，主要受到来自煤层下落时对底板的冲击力、在运行过程中煤流、链条对底板所产生的摩擦力、采煤机的滚筒切入煤层时所产生的反作用力。

2 中部槽的结构分析

本文首先在Solid Edge中对中部槽进行三维实体建模，再对建好的模型进行有限元分析，得到在不同的工况下中部槽载荷分布的受力情况，本次建模过程中主要对中部槽的左右槽帮、中板、底板及端头的连接件进行建模，对其进行焊接工艺处理。挡煤板、销排座等不是主要的承载构件，在不影响分析精确度的前提下，对其进行一定的简化处理，所以再对中部槽进行三维实体建模时，忽略了挡煤板、销排座等构件对模型的影响[4]。在Solid Edge中对刮板输送机中部槽进行三维建模时，对槽帮的倒角、圆角、凹槽等不影响整体结构分析的局部细小构件进行适当的忽略和简化。

本次运用ANSYS Workbench进行结构受力分析，将原先在Solid Edge中建立的中部槽三维模型（已简化）导入到结构分析软件中，选用六面体单元不仅便于建立复杂模型，还可以模拟多种接触问题。不仅方便对模型进行网格划分，而且有利于中部槽的结构分析。图3、图4为中部槽的实物照片和简化后的三维实体模型。

图3 中部槽的实物照片

图4 中部槽的简化模型

从划分的网格图中，可以看出在推移耳的位置有密集的网格分布和较集中的应力，出现了不对称的单元网格形状，同时在实际的分析操作过程中，采用分割的方式时，在应力比较集中的区域内，可能会生成结构化网格，所以对结构分析的准确度造成一定的影响，在网格划分中，此次中部槽的实体模型共有27 511个单元，50 457个节点，图5为中部槽的有限元模型。组成中部槽的各个部件存在一定的材料差异，主要体现在抗拉强度和屈服强度上，在进行有关的有限元分析计算时，由于弹性模量、泊松比的差异不大，对相关的技术分析参数进行统一的设定。各构件的弹性模量E=205 GPa，泊松比λ=0.3。材料属性如表1所示。

表1 材料属性

图5 中部槽的网格划分

3 中部槽的工况分析

3.1 在推溜工况下的结构分析

在推溜工况时，施加的约束和载荷主要为：由铲煤板的哑铃销座施加的与地面垂直的竖向载荷；由铲煤板的槽帮、挡煤板的两侧施加的纵向载荷；来自液压支架的推溜力[5]。经过加载和分析，得到中部槽在推溜的工况下整体的应力图和应变图，如图6、图7所示。

图6 推溜时中部槽的应力云图

图7 推溜时中部槽应变云图

3.2 在拉架工况下的结构分析

与推溜工况的不同之处在于：在拉架工况时，推移耳作用的位置和方向, 不能简单地认为拉架工况是推溜工况的反作用，所以在实际的综采工作面操作时，拉架工况也是极为重要的，在结构分析中，也要对拉架工况进行相应的模拟分析。

在ANSYS Workbench中，对导入的中部槽实体模型进行分析得出：在实际运行过程中，应力的最大值发生在槽帮的推移耳处，从云图可以看出，最大的应力、应变都处在安全的范围之内，并且还有很大的余量，因此在拉架的过程中中部槽处于安全的状态，满足生产的需求。图8、图9为拉架工况下的应力、应变图。

图8 拉架时中部槽应力图

图9 拉架时中部槽应变图

通过对刮板输送机中部槽在不同工况下的结构分析得出，影响中部槽结构的稳定性和安全性的主要因素是在推移耳处所受到的应力，因此强化推移耳的设计和加工工艺就尤为重要，为中部槽的改进提供一定的数据参考。

4 结语

在实际的井下综采生产过程中，刮板输送机发挥着举足轻重的作用，在生产运行过程中，由于中部槽的疲劳磨损和破坏，极易引起生产事故的发生，因此中部槽的设计和加工非常重要，本文采用Solid Edge对中部槽进行实体建模，导入ANSYS Workbench中对实体模型进行网格划分得到有限元模型，通过施加载荷和静力学的结构分析得出在推溜和拉架不同工况下的应力应变图，最后对两个工况下应力应变结果的对比分析，发现在不同的工况下，中部槽的应力、应变变化主要取决于相对比较薄弱的推移耳的应力变化，但这些变化都处在疲劳强度的允许范围之内，不会引起较大的破坏，此次分析也明确了刮板输送机在生产运行过程中需要注意的安全隐患，同时也为中部槽的设计优化提供了方向。