劉朝陽， 李 博， 李娟莉

(太原理工大學機械與運載工程學院； 煤礦綜采裝備山西省重點試驗室， 山西太原030024)

刮板輸送機是煤炭運輸?shù)闹饕b備，中部槽是其主要組成部分，占總質量的75%以上。刮板輸送在運行過程中，中板不斷受到煤、刮板及刮板鏈的反復摩擦作用，極易造成中部槽的磨損失效，造成巨大的經(jīng)濟損失[1-4]。在實際的生產(chǎn)中，報廢的中部槽經(jīng)過一定的工藝處理，可以進一步使用，提高中部槽的使用壽命，因此，研究中部槽的修復工藝參數(shù)顯得尤為重要。

目前中部槽的修復方法主要包括熔覆涂層技術和耐磨堆焊技術。張小鳳等[5]為了提高刮板輸送機中部槽的耐磨性，對中部槽進行菱形花紋堆焊處理，并進行了工業(yè)性試驗，結果表明，經(jīng)堆焊處理后的中部槽耐磨性得到了顯著提高，壽命延長了1倍以上。潘興東等[6]對中部槽中板采用了激光熔覆處理，并進行了磨損試驗，結果表明，激光熔覆涂層提高了中板耐磨性、強度和韌性，延長了刮板輸送機的使用壽命。曹青等[7]在中部槽上應用WC鎳基合金激光熔覆涂層，并進行了性能測試試驗，結果表明，經(jīng)處理后的中部槽比使用傳統(tǒng)材料熔覆的中部槽耐磨性更強，壽命更長。Guo等[8]研究了激光熔覆鐵基合金的摩擦磨損性能，并在刮板輸送機進行了磨損試驗，結果表明，中部槽的力學性能得到提高，表面更為光滑，耐磨性得到了顯著提高。Li等[9]對中部槽采用等離子熔覆Fe-Cr-B-Si基合金粉末制備了涂層，并進行了摩擦磨損試驗，結果表明：中部槽熔覆涂層具有較高的硬度和良好的摩擦磨損性能，提高了中部槽的耐磨性，減少了資源浪費。熔覆涂層技術和耐磨堆焊技術均能從一定程度上對中部槽進行修復，提高中部槽的使用壽命。堆焊方案以交叉人字形、大交叉斷續(xù)焊道、菱形花紋為主，然而，對于堆焊形貌參數(shù)的確定大多數(shù)研究未采用系統(tǒng)的方法進行選取，而不同參數(shù)組合下的涂層及堆焊條紋均會對中部槽的耐磨強度產(chǎn)生影響，因此，采用響應面法對多種參數(shù)組合下的修復中板試樣進行耐磨性研究，并篩選最優(yōu)耐磨參數(shù)組合，可進一步改善中部槽的修復工藝。

采用全因子分析法和正交試驗法對工藝參數(shù)進行篩選較為復雜，而響應面法可以探究多個影響因素與響應值之間的關系，在試驗設計的合理范圍之內(nèi)找到試驗因子的最佳組合，具有試驗次數(shù)少、周期短、結果精確等優(yōu)點，在參數(shù)篩選研究方面具有一定的優(yōu)勢[10-12]。利用Plackett-Burman試驗和最陡爬坡實驗確定響應面的0值，通過響應面試驗法對不同參數(shù)組合下的堆焊條紋中部槽進行耐磨性分析，建立磨損深度與各因素的二次多項式回歸模型，確定試驗條件下的最優(yōu)耐磨工藝參數(shù)組合，并分析其在受力、振動等方面的優(yōu)劣性。

1 仿真模型

1.1 方法分析

刮板輸送機在運輸過程中，煤料堆積在中部槽上，刮板(鏈條)循環(huán)帶動煤散料運動。中部槽配合關系如圖1所示。

圖1 中部槽結構Fig.1 Middle trough structure

為了能夠快速有效地篩選最優(yōu)耐磨堆焊條紋工藝參數(shù)，設計了與刮板輸送機工作原理類似的改進銷盤式ML-100型磨粒磨損試驗機(往復運動)模型，如圖2 a)所示，并通過DEM離散元-MBD多體動力學雙向耦合的方式模擬刮板輸送機輸送煤料的過程。磨粒磨損機在工作時，電機轉動帶動絲杠轉動(仿真中以相關動力約束模擬電機，為了便于三維模型的建立，絲杠設置為光滑導桿)，從而帶動刮板試樣及其夾具水平運動，刮板試樣在料槽中推動煤散料運動，當刮板試樣運動到料槽另一端時，電機反向轉動，絲杠反轉，刮板向另外一端運動，刮板試樣就這樣推動煤散料進行往復運動，模擬中部槽中板的磨損過程。

為了模擬中部槽的磨損狀態(tài)，實現(xiàn)往復運動的快速回煤，使中板試樣和刮板試樣一直處于運輸煤散料的過程中，設計料槽如圖2 a)所示。為了便于磨損分析，將堆焊條紋材質選擇與中板材質一致的NM360，修復中板樣式如圖2 b)所示。將刮板試樣設計成與刮板角度相同的雙斜面結構，如圖2 c)所示，實現(xiàn)往復角度相同，材料與刮板材料一致為42CrMo。

a)磨粒磨損試驗機b)堆焊條紋中板試樣c)刮板試樣與刮板的斜切結構圖2 磨粒磨損機及相關部件Fig.2 Abrasive wear machine and related parts

1.2 離散元-多體動力學雙向耦合仿真

采用離散元(EDEM 2018)與多體動力學(RecurDyn V9R1)雙向耦合的磨粒磨損試驗機模型模擬中板的磨損過程，探究最優(yōu)耐磨修復參數(shù)組合。耦合模型及其相關參數(shù)的可靠性已得到同課題組成員的驗證[13]。

1.2.1 EDEM離散元參數(shù)設置

1)顆粒模型

考慮到煤顆粒形狀的復雜性，采用不同粒徑的多球顆粒填充的方法建立模型，結合實驗室相關研究基礎[14-15]，從堆積試驗測量堆積角進行模型驗證，最終建立煤顆粒模型，模型和真實煤炭圖像見圖3。

a)扁平狀b)類錐狀c)類塊狀圖3 煤顆粒模型Fig.3 Coal particle model

仿真中采用隨機方式產(chǎn)生煤顆粒，并設置最大和最小范圍控制煤顆粒粒徑，確保生成的煤顆粒粒徑在4～6 mm范圍之內(nèi)，以控制變量。

2)散料與剛體的本征參數(shù)和接觸參數(shù)

煤種選擇陜西省榆林市神木縣的長焰煤。結合實驗室研究基礎，設置相應參數(shù)，如表1、 表2所示[16-17]。煤顆粒之間的接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no slip)，煤顆粒與幾何體之間接觸模型選擇Hertz-Mindlin with Archard Wear，仿真時長為3 s(顆粒生成時間0.5 s，顆粒靜止時間0.5 s，往復運動一個周期2 s)。

表1 煤、 NM360鋼本征參數(shù)

表2 接觸參數(shù)

1.2.2 RecurDyn動力學參數(shù)設置

導桿和料槽設置為固定于地面的固定副； 刮板試樣夾具與支架之間設置雙重接觸的特性， 分別為移動副與接觸副， 接觸副的接觸方式為剛體-剛體； 中板試樣設置為固定于料槽的固定副； 刮板輸送機的刮板與中板存在接觸作用， 因此設置刮板試樣與中板試樣的接觸副； 支架與導軌之間設置移動副， 移動副的移動特性由階躍函數(shù)控制。

1.3 試驗設計

1.3.1 Plackett-Burman設計篩選

Plackett-Burman(PB)法是一種兩水平試驗設計方法，以非完全平衡塊原理為基礎，通過最少試驗次數(shù)較精確地找出因素的主效應，能夠快速有效地從眾多考察因素中篩選出重要的因素，可信度達95%以上。對于n次試驗，最多可以研究n-1個因素，但還應該設置虛擬項來估計試驗誤差。參考相關文獻，全面分析中部槽堆焊條紋結構的形貌A、 寬度C、 高度D、 角度F和間距G等5個因素對磨損的影響。設計方案如圖4所示。

圖4 設計方案Fig.4 Design scheme

考慮到研究中所采用的中板試樣有效區(qū)域長度為180 mm， 寬度為20 mm， 高度為3.7 mm。堆焊條紋高度與中板基體的高度總和應保持3.7 mm不變，且條紋高度不宜太高，避免造成過多的煤粉卡入間隙內(nèi)。堆焊條紋的工藝參數(shù)設計，不應使條紋過于密集或松散，且不造成刮板試樣卡進條紋內(nèi)影響試驗結果，因此進行了幾次預試驗，最終以磨損深度為響應值，設計如表3所示PB試驗。

表3 PB試驗因素與水平

1.3.2 最陡爬坡試驗設計

響應面擬合方程的建立需在所考察的緊接臨域內(nèi)進行才能最大程度接近真實情形,因此，要逼近最小磨損深度區(qū)域后再建立響應面擬合方程。根據(jù)PB設計結果中顯著影響因素效應值的正負設定爬坡方向，根據(jù)效應值的大小設定變化步長。

1.3.3 響應面分析

根據(jù)PB試驗與最陡爬坡試驗結果，以磨損深度為響應值，采用Box-Behnken響應面法設計試驗。

2 結果與分析

2.1 PB設計篩選結果

以磨損深度作為響應值Y，試驗設計及結果如表4所示。各因素效應、 顯著性分析及重要性排序如表5所示。

表4 PB試驗設計及結果

由表5可知形貌A和高度D這2個因素對磨損深度的影響顯著(P<0.05)，間距G的P值為0.051近似等于0.05， 為了方便爬坡試驗和響應面試驗的進行，可考慮這3個因素作為主要因素進行下一步試驗。

2.2 最陡爬坡試驗結果與分析

從PB試驗結果中的效應系數(shù)可知，高度和間距對磨損深度的影響為正效應，即磨損深度隨著寬度和間距值的增加而增加；形貌對磨損深度的影響為負效應，即磨損深度隨著形貌外輪廓的增加而減小。考慮到磨損深度越小，優(yōu)化效果越好，高度和間距均應選擇較小值，爬坡方向按照逆梯度順序進行；形貌應該選擇外輪廓較大值，爬坡方向按照順梯度順序進行。其余各因素按照正負效應和實際情況選擇，即寬度選擇1 mm，角度選擇120 °。最陡爬坡試驗設計與結果如表6所示。

表5 PB分析結果

表6 最陡爬坡試驗設計與結果

從表6中可知，在試驗2的條件下磨損深度最小，因此將其值定為響應面試驗的中心點。

2.3 響應面結果分析

2.3.1 響應面設計及建立回歸模型

根據(jù)BBD進行3因素3水平試驗，試驗設計及結果如表7、 8所示。對試驗結果進行二次多項回歸擬合，得到以磨損深度Y為因變量，形貌A、 高度D和間距G為自變量的三元二次回歸擬合模型，考慮到形貌為漢字形式無法在方程中體現(xiàn)，因而回歸方程采取自變量的編碼值進行表示，如式1所示。

Y=42.91+22.30A+25.32D+8.58G+8.28AD+12.12AG+6.95DG+10.86A2+18.80D2-1.97G2。

(1)

求解式(1)在設計范圍內(nèi)的最小值， 并轉換成實際值， 得到：A=-1(二次函數(shù))，D=0.42 mm，G=9 mm。 在此條件下， 可得到試驗條件下的最小磨損深度。

表7 響應面因素設計

表8 BBD結果

2.3.2 回歸模型的擬合及方差分析

由表9可知,對磨損深度的影響從大到小依次為高度、形貌、間距。在顯著性水平α=0.05的水平上，A、D、G、A2、D2、AD、AG對磨損深度Y的影響顯著，表明各影響因素之間并不是呈現(xiàn)線性關系，而是二次關系。方程的相關系數(shù)R2為0.985 6，表明該模型可信度較高，可以較為準確地分析和預測試驗結果。在表10中，該模型失擬不顯著(失擬項P=0.089>0.05)，說明磨損深度的試驗值與預測值擬合度較高。

表9 回歸系數(shù)顯著性分析

表10 方差分析

2.3.3 響應曲面及等高線分析

通過Design-Expert 12.0軟件進行分析，得出具有顯著性交互作用項AD(形貌、高度)、AG(形貌、間距)對Y(磨損深度)的響應面圖(圖5)和等高線圖(圖6)。由于條紋形貌A無法用具體數(shù)字表示其水平的高低，因而在圖5和圖6中，采用編碼值標注A、D、G3個因素的水平高低。

a)AD交互作用響應面圖b)AG交互作用響應面圖圖5 交互作用響應面圖Fig.5 Response surface diagram of interaction

a)AD交互作用等高線圖b)AG交互作用等高線圖圖6 交互作用等高線圖Fig.6 Contour map of interaction

從圖5中可以得到，當A=-1(二次函數(shù))、D=0.42 mm時， 磨損達到試驗條件下的極小值。 其原因在于： 形貌和高度直接影響的是條紋凸體的外觀形貌， 當條紋凸體變得很尖時， 上試樣刀具與條紋凸體的接觸面積過小， 不利于減小磨損； 條紋凸體變得很扁時，與上試樣刀具的接觸面積過大， 在一定程度上， 上試樣刀具與條紋凸體間的空隙減小， 不利于形成空氣膜， 減磨效果不顯著； 當A=-1，G=9 mm時，磨損達到試驗條件下的極小值。 形貌和間距直接影響中板上凸體面積。 當形貌越扁， 間距越大時， 相鄰2個條紋的間距就越小， 顆粒在短時間內(nèi)會與條紋凸體連續(xù)碰撞， 運動也被不斷影響， 且不利于形成空氣膜， 不利于減小磨損； 當形貌越尖， 間距越小時， 條紋間隙內(nèi)更容易卡進煤顆粒， 且沉在條紋間的煤顆粒體積增大， 當刮板試樣推動煤顆粒時， 卡進條紋凸體下端的部分煤顆粒會對條紋凸體造成更大的阻力， 進而增加中板的磨損， 因而對于堆焊條紋參數(shù)的選取， 應綜合考慮加工成本和堆焊的高度與間距。

從圖6可以看出，等高線圖顏色由藍色逐漸變?yōu)榧t色，表示提取質量由少到多，變化的速度較快，坡度較大，表明交互作用對磨損深度的影響顯著。此外，AD、AG交互作用等高線呈橢圓狀，而非圓形，表明AD、AG交互作用較強。

3 驗證試驗

通過對響應面結果的分析和對回歸方程的求解，得到了試驗條件下的最優(yōu)耐磨參數(shù)組合。通過UG(NX 12.0)對其進行建模，隨后進行仿真，輸出其在試驗條件下的磨損深度值為22.925 mm，與光滑中板對比發(fā)現(xiàn)磨損很大。另外，從整個試驗過程來看(12組PB、5組最陡爬坡試驗和15組響應面試驗)，各組的磨損值都比較大。事實上，條紋部分可采用堆焊技術或熔覆涂層技術進行處理，其耐磨性更高，在磨損時，先磨損條紋凸體部分，極大程度的提高了中部槽的使用壽命。

從后處理中輸出堆焊條紋中板(交叉棱型中板)的部分磨損云圖，如圖7所示。從圖中可以看出，磨損主要集中在條紋凸體上，且在交叉棱處發(fā)生間斷,整體磨損無明顯集中現(xiàn)象，磨損較為均勻。

圖7 交叉棱中板部分磨損云圖Fig.7 Part of wear cloud cap of the middle plate of crossed edge

磨損是由于中板試樣表面受到的正壓力造成的，從RecurDyn中輸出中板表面的受力、上試樣Z方向位移和加速度，來研究交叉棱磨損的原因和其他方面的性能，如圖8所示。

從圖8 c)中可以看出，交叉棱中板的受力比光滑中板較大，局部受力較甚至是光滑中板受力的2倍以上，但從受力均勻程度上可以發(fā)現(xiàn)，交叉棱中板的受力波動較少。從圖8 a)和8 b)來看，交叉棱的上試樣的波動非常小，說明此種菱形條紋堆焊結構可以減小刮板的振動。在實際的刮板輸送機運行過程中，刮板鏈的多邊形效應，會增大中板豎直方向的受力，加速中部槽的磨損。在中部槽磨損一定程度后，采用此種堆焊結構進行修復，可以緩解刮板鏈的振動，且可以選取更為耐磨的堆焊材料，使得中板的使用壽命得以延長。

4 結論

1)設計了ML-100型磨粒磨損試驗機往復運動模型，試驗料槽可實現(xiàn)往復運動的快速回煤，能夠從一定程度上模擬刮板輸送機中部槽中板的磨損過程。

2)通過Plackett-Burman篩選法從影響修復條紋結構耐磨性的5個影響因素(形貌、 寬度、 高度、 角度、 間距)中篩選出3個顯著影響因素(P<0.05)，即形貌、 高度和間距，其余因素無顯著影響。

3)通過Box-Behnken試驗及響應面分析法建立了磨損深度與3個顯著因素的二階回歸模型，經(jīng)過求解回歸方程得到在試驗條件下，最優(yōu)耐磨中部槽修復工藝參數(shù)組合為：形貌二次函數(shù)， 寬度為1 mm， 高度為0.42 mm， 角度為120 °和間距為9 mm。

4)與光滑中板的對比試驗發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)工藝參數(shù)下的修復中板的磨損主要集中在條紋凸體上，磨損較為均勻；此外，中板試樣的受力較為均勻，上試樣的波動非常小，此種堆焊條紋結構可以減小刮板的振動，進而減小中部槽的磨損，進一步改善中部槽修復工藝。

a)上試樣位置b)上試樣Z方向加速度c)中板受力圖8 光滑中板與交叉槽中板對比結果Fig.8 Comparison results of smooth middle plate and cross-trough middle plate