刮板输送机中部槽磨损问题分析与改进策略研究

韩煜斌

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司， 山西 晋城 048214）

0 引言

煤炭资源掘进生产企业离不开刮板输送机，其是煤炭井下输送至井上地面的重要输送装备，备受煤炭行业的关注[1-2]。刮板输送机工作过程中动力装置驱动刮板链带动刮板连续回转运动，刮板经落入中部槽内的煤炭连续向前推送，实现煤炭的运输功能[3]。运煤时刮板输送机中部槽服役条件极为恶劣，不仅会承受冲击载荷，还会承受煤炭的相对摩擦磨损，是刮板输送机极易出现故障的部件之一，一旦出现故障，将会导致煤炭渗漏污染巷道，增大刮板输送机结构件的磨损，严重情况下将会导致煤炭综采工作面工作停滞，给煤炭企业产生较大的经济损失[4-6]。因此，针对某煤炭企业使用的刮板输送机经常出现中部槽磨损严重的问题，借助有限元仿真分析方法，开展中部槽磨损问题分析与改进策略研究具有重要意义。

1 故障概述

服役中的刮板输送机中部槽出现严重磨损的情况如图1 所示。由图1 可以看出，中部槽磨损较为严重的位置在中间承料位置，此处工作过程中工作条件最恶劣。进一步的磨损将会出现中部槽漏洞，导致煤炭输送过程中出现煤炭渗漏的情况，给煤炭企业造成经济损失。观察结果显示，本台刮板输送机中部槽相较于其他刮板输送机磨损较快，已经成为亟待解决的问题。因此，有必要进行刮板输送机中部槽磨损机理分析研究，进一步提出改进策略，对于提高刮板输送机中部槽使用寿命，保证企业煤炭产量和效率意义重大。

图1 中部槽磨损实物

2 仿真分析

2.1 输送机建模

运用SolidWorks 建立刮板输送机三维模型，如图2 所示，进行了简化处理，之后将三维模型导入EDEM仿真计算软件进行前处理，进行材料属性的设置。整个刮板输送机模型材质设置为钢，剪切模量数值为70 MPa、泊松比数值为0.3、密度取7 800 kg/m3。

图2 刮板输送机简化模型

2.2 煤颗粒建模

刮板输送机运输的煤炭结构参数千差万别，不管是煤炭的颗粒直径还是形状都是不一样的，为了更好的建立煤炭模型，建模时选择具有代表性的煤颗粒形状进行计算。在EDEM 仿真计算软件中进行煤颗粒模型建立，填充合适大小的球颗粒，如图3 所示，煤颗粒直径数值为45 mm。之后进行材料属性设置，其中剪切模量数值为200 MPa、泊松比为0.3、密度数值为1 500 kg/m3、颗粒质量为0.525 kg。

图3 煤颗粒模型

2.3 煤矸石模型建立

煤矸石模型建立的目的是模拟煤散料输送过程中的实际情况，使其对输送机的磨损仿真分析更加准确。煤散料中涉及岩石和其他物料，是刮板输送机中部槽磨损的主要颗粒物质。在EDEM 仿真计算软件中进行煤颗粒模型建立，填充合适大小的球颗粒，如图4 所示，煤矸石颗粒粒径为60 mm。材料属性如下：剪切模量数值为50 MPa，泊松比为0.35，密度为2 600 kg/m3。

图4 煤矸石模型

2.4 颗粒工程创建

在EDEM 软件中，颗粒工厂定义了仿真中颗粒生成的位置和时间。根据刮板输送机额定运量（0.3 t/s）和调高范围（2～3.5 m），确定在Creator 的Geometry面板设置颗粒工厂的位置参数和个数，采用两个颗粒工厂生成两种不同参数的煤颗粒，每个颗粒工厂的位置坐标为（0，-150，200），大小尺寸为1 200 mm×550 mm。颗粒工厂运行方向与刮板同向，速度数值为0.13 m/s，颗粒产生速率为0.3 t/s，产生时间为8 s，均从0 时刻开始，生成颗粒的最大尝试次数为20 次，颗粒尺寸固定不变。

2.5 接触模型与参数设置

仿真设计中使用Hertz-Mindlin（no slip）模型可以精确且高效地计算颗粒之间的接触与碰撞。仿真过程中各个物质之间的接触参数如下：煤煤之间静摩擦系数为0.6，动摩擦系数为0.05；煤钢之间静摩擦系数为0.4，动摩擦系数为0.05；煤煤矸石之间静摩擦系数为0.5，动摩擦系数为0.05；矸石矸石之间静摩擦系数为0.3，动摩擦系数为0.02；矸石钢之间静摩擦系数为0.5，动摩擦系数为0.01；磨损常数设置为（0.8～4.1）×10-12m2/N。

3 仿真计算

3.1 仿真参数

仿真过程参数中直接从Rayleigh 时间步长管理器中设置，之后转入软件自带求解器进行仿真时间设置，选择8 s 为单次仿真时间分析中部槽磨损情况。仿真计算结果存储间隔选择0.01 s，然后点击Estimate CellSize，系统会根据最小颗粒尺寸定义最合理的网格尺寸。设置完成，运行仿真。

3.2 运输流程

完成刮板输送机输送物料过程仿真参数设置之后即可启动EDEM 仿真计算软件进行仿真分析，调出仿真总体模型，如图5 所示。图5 中涉及的煤料中主要是煤颗粒和煤矸石颗粒，白色的属于煤矸石，粒径尺寸为45mm，其余全部是煤颗粒，粒径尺寸为60mm。仿真过程中煤颗粒颜色以其速度大小进行区分，其中蓝色速度最小，绿色居中，红色速度最大。模型中煤料下落至刮板输送机中部槽时速度达到最大，之后与中部槽内的煤料碰撞，速度变小。煤料跟随刮板迁移，出现煤料的振荡，煤料颗粒粒径会导致其在中部槽的分布情况，煤矸石逐渐上移，煤颗粒向下沉，出现上述现象的主要原因是煤矸石体积大于煤颗粒。由图5 还可以看出，在颗粒运动方向靠近刮板的区域煤颗粒分布较多，远离刮板的区域煤颗粒分布较少。

图5 仿真模型

3.3 仿真结果

刮板输送机中部槽与煤料仿真计算完成之后提取中部槽磨损深度分布云图，如图6 所示，在刮板输送机运行稳定之后，移动中的煤料主要集中在中部槽，经过长时间的运输摩擦，刮板链位置的煤料压力最大，必将会导致中部槽出现凹槽磨损情况。由图1可知，中部槽实际工作过程中磨损区域也是集中在中部槽链道处，磨损形状为凹槽形，由刮板输送机运输流程可得，出现磨损问题主要是由煤料、刮板链和中部槽共同造成的。综上，仿真计算结果与实际磨损情况相吻合，得出了刮板输送机中部槽出现磨损问题的原因，对于进一步改进提高中部槽的使用寿命具有重要意义。

图6 中部槽磨损仿真结果

4 改进策略与应用

通过仿真计算结果分析得出刮板输送机中部槽出现磨损是由煤料、刮板链和中部槽共同造成的，因此得出一下改进策略。第一是控制采煤机采煤参数，尽量得到均匀粒径的煤炭，避免较大粒径煤炭出现；第二是控制刮板链的张紧程度，避免中部槽链道处过早出现磨损；第三是提高中部槽位置的板料厚度或者更换强度更高、耐磨性更高的材料制备。基于上述刮板输送机改善中部槽磨损问题的策略及实现难易程度，选择了调整刮板链张紧程度完成改进。后续应用结果表明，改进之后刮板输送机中部槽磨损出现的时间延长了约2 个月，使用寿命得到了提高，改进效果显著。

5 结语

刮板输送机作为煤炭企业必不可少的输送设备，其工作的可靠性至关重要。针对某煤炭企业使用的刮板输送机经常出现中部槽磨损严重的问题，借助有限元仿真分析方法，开展了中部槽磨损问题分析，结果表明，中部槽出现磨损主要是由煤料、刮板链和中部槽共同造成的。之后提出了可以改进中部槽磨损问题的策略，选择调整刮板链张紧程度的方法进行改进，结果表明，中部槽磨损问题得到了改善，使用寿命提高了2 个月，对进一步提高刮板输送机中部槽使用寿命具有重要的参考价值。