刮板输送机槽帮磨损及内侧曲线优化研究

刘 俊，梁 超，夏 蕊，李 博，王学文

(1.山西煤矿机械制造股份有限公司，山西 太原 030031；2.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024，3.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西 太原 030024)

现代综采设备中，刮板输送机已成为井下开采能源的主要运输设备，保证矿产资源开采效率以满足生产建设需求。然而在实际生产过程中，由于工作环境复杂且恶劣，刮板输送机的故障时有发生，这不仅极大制约着采矿效率的提升，更不利于保障井下工作人员的人身安全。刮板输送机的中部槽作为综采面主要运输通道，刮板输送机70%以上的成本都属于中部槽。工作过程中，中部槽不仅承受煤料的切削作用，还受到刮板和链条的摩擦作用，是最容易损坏的部件。刮板输送机的失效也多是由中部槽的过度磨损或断裂引起，中部槽的使用寿命是衡量刮板输送机寿命的重要指标之一。因此，对矿用刮板输送机磨损现象实现有效的控制已成为当下亟待解决的问题，也是新时期矿山发展的关键所在。

针对刮板输送机运载系统，学者们对中部槽的力学特性和磨损特性等方面做了大量研究。在中部槽力学特性方面，Feng等[1]建立中部槽的非线性有限元模型，分析其在拉压载荷下的应力应变分布，据此提出了对中部槽结构尺寸进行优化的三种方案，比较了各方案中部槽的强度。廖昕等[2]对中部槽和哑铃销的结构尺寸进行数值优化匹配。Li和Liu[3]建立了中部槽离散元模型，研究了刮板、链条与中部槽在不同工况条件下的力学特性。针对刮板弯曲断裂问题，Zhang等[4]通过有限元分析对其进行了优化，发现井型加强筋有助于提高刮板的整体强度和刚度。在中部槽磨损特性方面，史志远[5，6]通过磨粒磨损试验研究了不同工况条件对中部槽的磨损规律。李博等[7]通过筛选试验筛选影响中部槽磨损的主要影响因素，并通过响应面法研究了各因素对中部槽磨损影响的显著性。

中部槽耐磨优化主要从研究耐磨材料，改进结构和加工工艺[8，9]等方面来提升耐磨性。Ge等[10]和Li等[11]分别对热轧中锰钢和不同石墨含量的铁镍基材料进行了研究，结果表明这两种材料均具有较强的耐磨性能，特别适用于中部槽制造和修复。朱槿等[12]通过磨粒磨损试验，研究了Ti含量对中部槽耐磨钢耐磨性能的影响。针对中部槽中板的磨损，学者们基于非光滑耐磨理论，通过对中板表面进行凹坑设计[13-15]或条纹设计[16]来提升中板的耐磨性。激光熔覆以及表面堆焊技术也是现阶段较为常用的中部槽耐磨强化方法[17]。本文重点针对中部槽槽帮上边沿磨损严重情况，通过离散元法-多体动力学(DEM-MBD)耦合仿真对刮板输送机运煤过程进行尽可能真实的模拟，从槽帮受力方面对槽帮磨损机理进行分析探究，并基于此对槽帮内侧曲线进行优化设计，为槽帮内侧结构优化奠定了理论基础和依据。

1 中部槽磨损分布概况

刮板输送机中部槽主要由挡板组件、槽帮、中板及底板组成。根据榆林、鄂尔多斯和宁夏地区大型煤矿近5年的中部槽损坏数据统计，中部槽损伤主要是由磨损损伤为主，如图1所示，中部槽损坏比例统计见表1[18，19]。从统计结果可以看出，中部槽磨损最为严重的部位在于槽帮上边沿、中板与底板，损坏比例高达70%以上，甚至槽帮上边沿损坏率达到了90%，其磨损严重后将导致即使槽帮其它部位磨损不严重该节中部槽也跟着整体直接报废，造成了严重浪费。中部槽在工作过程中，中部槽长时间同时受到煤料和刮板的双重作用，致使往往都是中板、槽帮上沿、底板等部件结构最先达到自身的磨损寿命极限，而当这些易磨损部位达到寿命极限时，除了由于制造过程中铸造缺陷引起的极个别损坏外，中部槽的槽帮、挡板、推移耳等结构大多并未达到其寿命，还可继续正常地使用，其余部位如联接座、齿轨座也只是因结构强度不足有少量发生断裂失效。

图1 中部槽损坏部位

表1 中部槽损坏比例统计

当前的煤矿井下开采工作面成套刮板输送机设备生产厂家主要有国外JOY、DBT(CAT)、布朗公司等，以及国内的天地奔牛、中煤张家口煤机公司、山西煤机等制造企业。但目前也仅有德国的DBT公司制造的中部槽将中部槽上边沿采用了锻焊组合结构，在其磨损至不能使用时，利用专业设备可对上边沿拆除更换，但该中部槽仍面临的一大限制是更换比较困难且在井下不能更换。因此，探究槽帮上边沿的载荷特性以深刻了解其磨损机理已成为当前急需解决的问题，以便于后续的槽帮结构优化。

2 刮板输送机模型及理论

完整的刮板输送机长达百米以上，若建立完整的刮板输送机仿真模型，刚体、运动副以及参与仿真的煤颗粒数量将大大增加，这会导致在普通计算机上模拟非常耗时或根本不可行，故需对仿真模型进行必要的简化。基于中部槽槽帮上边沿磨损最为严重情况，为探究作用在中部槽槽帮的载荷分布，利用已经过实验室同组成员验证的刮板输送机DEM-MBD耦合模型[20，21](如图2、图3所示)通过EDEM(版本2018)和RecurDyn(版本V9R1)软件进行耦合仿真。DEM-MBD耦合仿真是模拟煤颗粒从落到刮板输送机开始的运煤过程，煤颗粒运动势必会引起颗粒间及颗粒与几何体的相互碰撞，进而产生接触力作用。本文的接触模型采取Heztz-Mindlin无滑动接触模型，下面对该模型进行说明。

图2 刮板输送机模型

图3 煤颗粒模型

作为EDEM软件中默认的接触模型，Heztz-Mindlin无滑动接触模型是在Mindlin的研究成果的基础上建立。假设半径分别为R1，R2的两球形颗粒发生弹性接触，则法向重叠量α的计算公式为：

α=R1+R2-|r1-r2|

(1)

式中，r1，r2分别为两颗粒球心在空间中的位置矢量。

颗粒间相接触面形状为圆形，则接触半径a可通过式(2)求得：

式中，R*是等效颗粒半径，其计算公式为：

式中，E为颗粒的弹性模量，MPa；μ为泊松比；v1和v2分别为颗粒碰撞前的速度，m/s。

颗粒间切向力Ft，其计算公式为：

颗粒间的滚动摩擦可以等效转化为颗粒表面上的力矩，其公式为：

Ti=-μrFnRiωi

(9)

式中，μr为滚动摩擦系数；Ri为颗粒间的接触点与其质心的距离，m；ωi为颗粒接触点处的单位角速度矢量。

EDEM中有关刮板输送机与煤散料之间相关参数由实验室同组成员共同测得，结合查阅的相关文献[20，21]，本研究中煤和钢的本征参数及相关接触参数设置见表2和见表3。

表2 煤和钢本征参数

表3 煤和钢接触参数

3 刮板输送机槽帮磨损机理

3.1 槽帮内侧压力特点

由于槽帮结构左右对称，为准确地了解槽帮上边沿的载荷情况，从中部槽槽帮中间位置进行剖切，对单侧槽帮进行分析。提取刮板输送机不同时刻的槽帮压力，其云图如图4所示，颜色由蓝到红表示压力由小到大。由图4可知，在0.9s时，刮板输送机处于刚开始运行阶段，中部槽内煤料较少，槽帮内侧压力是槽帮上边沿压力小于下边沿压力，上沿最大压力为205Pa，下沿最大压力为443Pa；2.45s时，刮板输送机内煤料增多，槽帮内侧压力增大，槽帮内侧上边沿最大压力为4953Pa，下边沿最大压力为4906Pa，上下边沿的最大压力基本一致，且槽帮上边沿部分基本都为红色，而下边沿区域只有少部分区域为红色，表明槽帮内侧压力已经开始集中分布到槽帮上边沿；3.85s时，刮板输送机的运行状态处于逐步趋向于稳定阶段，槽帮上边沿基本都偏向红色，上边沿最大压力为6843Pa，最小为5805Pa，而槽帮下边沿偏向绿色，下边沿最大压力为4972Pa，槽帮内侧压力明显集中分布在上边沿区域，上边沿最小压力比下边沿最大压力大833Pa；5.35s时，刮板输送机已经完全处于平稳的满载状态，槽帮内侧压力达到稳定，集中分布在上边沿区域，槽帮上边沿最大压力和最小压力分别为10890Pa和9842Pa，下边沿最大压力为8742Pa，上边沿最小压力也比下边沿最大压力大1100Pa。整体来看，从刮板输送机空载到稳定满载过程中，槽帮内侧压力首先集中在槽帮下边沿，随后中部槽内煤料增多，槽帮内侧压力逐渐增大，压力集中处逐渐从槽帮下边沿转移至上边沿，并且槽帮上边沿压力要远大于下边沿，这与槽帮上边沿磨损严重情况相符合。

图4 不同时刻下的槽帮内侧压力(Pa)

3.2 槽帮所受作用力

刮板输送机空载时以及满载时刮板与中部槽槽帮间的相对位置如图5所示。由图5可知，当刮板输送机空载时，刮板链自然垂落在中板上，与中板贴合，中部槽槽帮边沿与刮板牛角部位间有一定的间隙；而当刮板输送机中的煤料积累到一定程度时，在煤料的支撑作用下刮板链被顶起，刮板牛角部位与槽帮上边沿紧贴，槽帮不仅受到煤料的作用，还受到刮板对其的挤压和摩擦作用，且主要集中在槽帮上边沿。

图5 刮板与槽帮的相对位置

为进一步探究槽帮上边沿磨损的内在机理，提取刮板输送机运行过程中槽帮受到的煤料及刮板作用力，如图6所示。刮板输送机运煤过程中，煤料与刮板均与槽帮发生接触，槽帮受刮板和煤料对其的作用力。从图6(a)中可以看出，0～3.26s期间，随着刮板输送机上的煤料逐渐增多，煤料对槽帮的作用力整体呈现逐渐增大趋势；3.26s时煤料刚刚装满整机，3.26～4.26s期间，随着最开始落入刮板输送机内的煤料卸载，同时不断地有新的煤料落入刮板输送机内，到4.26s时刮板输送机达到稳定的满载状态，煤料对槽帮的作用力达到稳定。由于在整个运输过程中，煤料处于时刻运动的状态，其位置姿态不断变化，使得煤料对槽帮的作用力也处于一个波动状态。稳定的满载状态下，煤料对槽帮的作用力范围为1180～6732N，均值为2780N。从图6(b)可以看出，0～1.3s，煤料刚落入中部槽，由于量太少煤料对刮板的支撑力无法克服刮板链自身重力，刮板依然与中板接触而与槽帮上边沿没有接触，刮板对槽帮的作用力基本为0；1.3s后煤料堆积，刮板在煤料作用下紧贴槽帮上边沿，刮板对槽帮的作用力逐渐增大，直到满载后达到稳定，整体以1s为周期进行周期性波动，这是由于刮板输送机自身的结构特点造成的。根据刮板输送机单节中部槽长度(1500mm)大于相邻两节刮板间距(1008mm左右)的结构特点，在刮板输送机运行过程中，一节中部槽同时可以存在的刮板数量最多为两节。在每节刮板通过单节中部槽的过程中，大约前三分之一和后三分之一的时间都是有两节刮板同时在同一节中部槽上运动，此时槽帮所受刮板作用力较大，只有中间三分之一左右的时间是单节刮板独自在一节中部槽上运行，相应的刮板对其的作用力较低。当刮板输送机稳定满载时，刮板对槽帮的作用力大小范围为23950～160350N，均值为85509N，是煤料对槽帮作用力的30.76倍。结合前文的中部槽损坏部位分布情况和槽帮内侧压力分布特点可知，刮板对槽帮的摩擦作用是造成槽帮上边沿磨损的主要原因，即槽帮上边沿磨损主要是刮板与槽帮间的刚体-刚体磨损。

图6 槽帮所受作用力

4 槽帮内侧曲线优化

4.1 槽帮内侧曲线设计

针对中部槽槽帮内侧曲线，基于上述槽帮上边沿磨损机理对其进行优化设计。原有槽帮与新型槽帮的内侧曲线结构如图7所示，其主要差异在于：原有槽帮的上边沿为直线型，而新型槽帮上边沿改造为呈现一定弧度的波浪线型，且在上边沿末端呈现外凸三角状；同时新型槽帮下边沿较原有槽帮多向下倾斜了2°。在槽帮与刮板配合方面，新型槽帮将原有槽帮与刮板接触后形成的与槽帮内侧曲线形状相同且等距的间隙改成一端小一端大的楔形间隙，能够起到一定的卸荷作用，减小槽帮上边沿的内侧压力幅值，改善其磨损状态，同时由于该间隙细小，若有煤粉进入也能在一定程度上产生润滑效果。

图7 原有槽帮与新型槽帮内侧曲线结构

4.2 优化效果分析

将新型中部槽(新型槽帮内侧曲线)导入刮板输送机DEM-MBD耦合模型进行仿真，通过与原有中部槽对比分析新型中部槽的优化效果。提取与图4相同时刻下刮板输送机的新型槽帮内侧压力，如图8所示。通过与图4对比能够得出：与同一时刻下原有槽帮的的内侧压力相比，新型槽帮压力明显更小，其内侧压力在0.9s、2.45s、3.85s和5.35s时的最大幅值分别为330、3962、5486和8784Pa，各自减小了14、991、1357和2106Pa，将稳定满载状态下的压力值作为基准，新型槽帮最大内侧压力较原有槽帮降低了19.34%；此外，稳定满载状态下新型槽帮内侧压力集中区域的面积明显小于原有槽帮，达到了设计时的卸荷目标，说明该槽帮内侧曲线设计具备一定的可行性。

提取煤料和刮板对新型槽帮作用力，绘制随时间变化曲线，如图9所示。与图6进行对比，能够发现：与原有槽帮所受作用力曲线相比，新型槽帮的作用力在随时间变化的整体走势基本保持一致，其差异主要体现为作用力幅值差异。相比于原有槽帮，新型槽帮所受煤料作用力的波动范围变化仅是略微减小，并不明显，稳定满载状态下其作用力波动范围为987～5062N，平均值为2512N，减小了9.64%；而新型槽帮所受刮板作用力在满载前虽无明显变化，但其在稳定满载状态时的相对较为明显，作用力主要在32983～89791N范围内波动，平均值为49162N，较原有槽帮下降了42.51%，极大地改善了槽帮受力，有利于延缓槽帮磨损。

图9 新型槽帮所受作用力

5 结 论

1)从煤料落入刮板输送机到其稳定满载过程中，槽帮内侧压力分布从槽帮下边沿逐渐向上边沿区域集中分布，稳定满载时槽帮上边沿压力远大于下边沿，上边沿压力范围在9842～10890Pa，与槽帮上边沿磨损严重情况相吻合。

2)刮板输送机运煤过程中，槽帮受到煤料和刮板的双重作用，稳定满载时刮板被煤料顶起，与槽帮上边沿紧贴，刮板对槽帮的作用力均值为85509N，是煤料对槽帮作用力均值的30多倍，是造成槽帮上边沿磨损的主要原因，表明槽帮上边沿磨损主要是刮板与槽帮间的刚体-刚体磨损。

3)基于此对槽帮内侧曲线进行了一定的改进，并对其与原有槽帮进行了仿真对比分析，改进后的新型槽帮内侧结构与刮板接触后具有一定的楔形间隙，可以起到卸压作用，有效降低槽帮内侧载荷。稳定满载状态下新型槽帮最大内侧压力为8784Pa减小了2106Pa，新型槽帮所受刮板作用力均值为49162N，减小了42.51%。