劉 俊，梁 超，夏 蕊，李 博，王學(xué)文

(1.山西煤礦機(jī)械制造股份有限公司，山西 太原 030031；2.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024，3.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

現(xiàn)代綜采設(shè)備中，刮板輸送機(jī)已成為井下開(kāi)采能源的主要運(yùn)輸設(shè)備，保證礦產(chǎn)資源開(kāi)采效率以滿足生產(chǎn)建設(shè)需求。然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于工作環(huán)境復(fù)雜且惡劣，刮板輸送機(jī)的故障時(shí)有發(fā)生，這不僅極大制約著采礦效率的提升，更不利于保障井下工作人員的人身安全。刮板輸送機(jī)的中部槽作為綜采面主要運(yùn)輸通道，刮板輸送機(jī)70%以上的成本都屬于中部槽。工作過(guò)程中，中部槽不僅承受煤料的切削作用，還受到刮板和鏈條的摩擦作用，是最容易損壞的部件。刮板輸送機(jī)的失效也多是由中部槽的過(guò)度磨損或斷裂引起，中部槽的使用壽命是衡量刮板輸送機(jī)壽命的重要指標(biāo)之一。因此，對(duì)礦用刮板輸送機(jī)磨損現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)有效的控制已成為當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題，也是新時(shí)期礦山發(fā)展的關(guān)鍵所在。

針對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)，學(xué)者們對(duì)中部槽的力學(xué)特性和磨損特性等方面做了大量研究。在中部槽力學(xué)特性方面，F(xiàn)eng等[1]建立中部槽的非線性有限元模型，分析其在拉壓載荷下的應(yīng)力應(yīng)變分布，據(jù)此提出了對(duì)中部槽結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化的三種方案，比較了各方案中部槽的強(qiáng)度。廖昕等[2]對(duì)中部槽和啞鈴銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化匹配。Li和Liu[3]建立了中部槽離散元模型，研究了刮板、鏈條與中部槽在不同工況條件下的力學(xué)特性。針對(duì)刮板彎曲斷裂問(wèn)題，Zhang等[4]通過(guò)有限元分析對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)井型加強(qiáng)筋有助于提高刮板的整體強(qiáng)度和剛度。在中部槽磨損特性方面，史志遠(yuǎn)[5，6]通過(guò)磨粒磨損試驗(yàn)研究了不同工況條件對(duì)中部槽的磨損規(guī)律。李博等[7]通過(guò)篩選試驗(yàn)篩選影響中部槽磨損的主要影響因素，并通過(guò)響應(yīng)面法研究了各因素對(duì)中部槽磨損影響的顯著性。

中部槽耐磨優(yōu)化主要從研究耐磨材料，改進(jìn)結(jié)構(gòu)和加工工藝[8，9]等方面來(lái)提升耐磨性。Ge等[10]和Li等[11]分別對(duì)熱軋中錳鋼和不同石墨含量的鐵鎳基材料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明這兩種材料均具有較強(qiáng)的耐磨性能，特別適用于中部槽制造和修復(fù)。朱槿等[12]通過(guò)磨粒磨損試驗(yàn)，研究了Ti含量對(duì)中部槽耐磨鋼耐磨性能的影響。針對(duì)中部槽中板的磨損，學(xué)者們基于非光滑耐磨理論，通過(guò)對(duì)中板表面進(jìn)行凹坑設(shè)計(jì)[13-15]或條紋設(shè)計(jì)[16]來(lái)提升中板的耐磨性。激光熔覆以及表面堆焊技術(shù)也是現(xiàn)階段較為常用的中部槽耐磨強(qiáng)化方法[17]。本文重點(diǎn)針對(duì)中部槽槽幫上邊沿磨損嚴(yán)重情況，通過(guò)離散元法-多體動(dòng)力學(xué)(DEM-MBD)耦合仿真對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)煤過(guò)程進(jìn)行盡可能真實(shí)的模擬，從槽幫受力方面對(duì)槽幫磨損機(jī)理進(jìn)行分析探究，并基于此對(duì)槽幫內(nèi)側(cè)曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為槽幫內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 中部槽磨損分布概況

刮板輸送機(jī)中部槽主要由擋板組件、槽幫、中板及底板組成。根據(jù)榆林、鄂爾多斯和寧夏地區(qū)大型煤礦近5年的中部槽損壞數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中部槽損傷主要是由磨損損傷為主，如圖1所示，中部槽損壞比例統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1[18，19]。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，中部槽磨損最為嚴(yán)重的部位在于槽幫上邊沿、中板與底板，損壞比例高達(dá)70%以上，甚至槽幫上邊沿?fù)p壞率達(dá)到了90%，其磨損嚴(yán)重后將導(dǎo)致即使槽幫其它部位磨損不嚴(yán)重該節(jié)中部槽也跟著整體直接報(bào)廢，造成了嚴(yán)重浪費(fèi)。中部槽在工作過(guò)程中，中部槽長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)受到煤料和刮板的雙重作用，致使往往都是中板、槽幫上沿、底板等部件結(jié)構(gòu)最先達(dá)到自身的磨損壽命極限，而當(dāng)這些易磨損部位達(dá)到壽命極限時(shí)，除了由于制造過(guò)程中鑄造缺陷引起的極個(gè)別損壞外，中部槽的槽幫、擋板、推移耳等結(jié)構(gòu)大多并未達(dá)到其壽命，還可繼續(xù)正常地使用，其余部位如聯(lián)接座、齒軌座也只是因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足有少量發(fā)生斷裂失效。

圖1 中部槽損壞部位

表1 中部槽損壞比例統(tǒng)計(jì)

當(dāng)前的煤礦井下開(kāi)采工作面成套刮板輸送機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家主要有國(guó)外JOY、DBT(CAT)、布朗公司等，以及國(guó)內(nèi)的天地奔牛、中煤張家口煤機(jī)公司、山西煤機(jī)等制造企業(yè)。但目前也僅有德國(guó)的DBT公司制造的中部槽將中部槽上邊沿采用了鍛焊組合結(jié)構(gòu)，在其磨損至不能使用時(shí)，利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備可對(duì)上邊沿拆除更換，但該中部槽仍面臨的一大限制是更換比較困難且在井下不能更換。因此，探究槽幫上邊沿的載荷特性以深刻了解其磨損機(jī)理已成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題，以便于后續(xù)的槽幫結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 刮板輸送機(jī)模型及理論

完整的刮板輸送機(jī)長(zhǎng)達(dá)百米以上，若建立完整的刮板輸送機(jī)仿真模型，剛體、運(yùn)動(dòng)副以及參與仿真的煤顆粒數(shù)量將大大增加，這會(huì)導(dǎo)致在普通計(jì)算機(jī)上模擬非常耗時(shí)或根本不可行，故需對(duì)仿真模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化?；谥胁坎鄄蹘蜕线呇啬p最為嚴(yán)重情況，為探究作用在中部槽槽幫的載荷分布，利用已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室同組成員驗(yàn)證的刮板輸送機(jī)DEM-MBD耦合模型[20，21](如圖2、圖3所示)通過(guò)EDEM(版本2018)和RecurDyn(版本V9R1)軟件進(jìn)行耦合仿真。DEM-MBD耦合仿真是模擬煤顆粒從落到刮板輸送機(jī)開(kāi)始的運(yùn)煤過(guò)程，煤顆粒運(yùn)動(dòng)勢(shì)必會(huì)引起顆粒間及顆粒與幾何體的相互碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生接觸力作用。本文的接觸模型采取Heztz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型，下面對(duì)該模型進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 刮板輸送機(jī)模型

圖3 煤顆粒模型

作為EDEM軟件中默認(rèn)的接觸模型，Heztz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型是在Mindlin的研究成果的基礎(chǔ)上建立。假設(shè)半徑分別為R1，R2的兩球形顆粒發(fā)生彈性接觸，則法向重疊量α的計(jì)算公式為：

α=R1+R2-|r1-r2|

(1)

式中，r1，r2分別為兩顆粒球心在空間中的位置矢量。

顆粒間相接觸面形狀為圓形，則接觸半徑a可通過(guò)式(2)求得：

式中，R*是等效顆粒半徑，其計(jì)算公式為：

式中，E為顆粒的彈性模量，MPa；μ為泊松比；v1和v2分別為顆粒碰撞前的速度，m/s。

顆粒間切向力Ft，其計(jì)算公式為：

顆粒間的滾動(dòng)摩擦可以等效轉(zhuǎn)化為顆粒表面上的力矩，其公式為：

Ti=-μrFnRiωi

(9)

式中，μr為滾動(dòng)摩擦系數(shù)；Ri為顆粒間的接觸點(diǎn)與其質(zhì)心的距離，m；ωi為顆粒接觸點(diǎn)處的單位角速度矢量。

EDEM中有關(guān)刮板輸送機(jī)與煤散料之間相關(guān)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)室同組成員共同測(cè)得，結(jié)合查閱的相關(guān)文獻(xiàn)[20，21]，本研究中煤和鋼的本征參數(shù)及相關(guān)接觸參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2和見(jiàn)表3。

表2 煤和鋼本征參數(shù)

表3 煤和鋼接觸參數(shù)

3 刮板輸送機(jī)槽幫磨損機(jī)理

3.1 槽幫內(nèi)側(cè)壓力特點(diǎn)

由于槽幫結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，為準(zhǔn)確地了解槽幫上邊沿的載荷情況，從中部槽槽幫中間位置進(jìn)行剖切，對(duì)單側(cè)槽幫進(jìn)行分析。提取刮板輸送機(jī)不同時(shí)刻的槽幫壓力，其云圖如圖4所示，顏色由藍(lán)到紅表示壓力由小到大。由圖4可知，在0.9s時(shí)，刮板輸送機(jī)處于剛開(kāi)始運(yùn)行階段，中部槽內(nèi)煤料較少，槽幫內(nèi)側(cè)壓力是槽幫上邊沿壓力小于下邊沿壓力，上沿最大壓力為205Pa，下沿最大壓力為443Pa；2.45s時(shí)，刮板輸送機(jī)內(nèi)煤料增多，槽幫內(nèi)側(cè)壓力增大，槽幫內(nèi)側(cè)上邊沿最大壓力為4953Pa，下邊沿最大壓力為4906Pa，上下邊沿的最大壓力基本一致，且槽幫上邊沿部分基本都為紅色，而下邊沿區(qū)域只有少部分區(qū)域?yàn)榧t色，表明槽幫內(nèi)側(cè)壓力已經(jīng)開(kāi)始集中分布到槽幫上邊沿；3.85s時(shí)，刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)處于逐步趨向于穩(wěn)定階段，槽幫上邊沿基本都偏向紅色，上邊沿最大壓力為6843Pa，最小為5805Pa，而槽幫下邊沿偏向綠色，下邊沿最大壓力為4972Pa，槽幫內(nèi)側(cè)壓力明顯集中分布在上邊沿區(qū)域，上邊沿最小壓力比下邊沿最大壓力大833Pa；5.35s時(shí)，刮板輸送機(jī)已經(jīng)完全處于平穩(wěn)的滿載狀態(tài)，槽幫內(nèi)側(cè)壓力達(dá)到穩(wěn)定，集中分布在上邊沿區(qū)域，槽幫上邊沿最大壓力和最小壓力分別為10890Pa和9842Pa，下邊沿最大壓力為8742Pa，上邊沿最小壓力也比下邊沿最大壓力大1100Pa。整體來(lái)看，從刮板輸送機(jī)空載到穩(wěn)定滿載過(guò)程中，槽幫內(nèi)側(cè)壓力首先集中在槽幫下邊沿，隨后中部槽內(nèi)煤料增多，槽幫內(nèi)側(cè)壓力逐漸增大，壓力集中處逐漸從槽幫下邊沿轉(zhuǎn)移至上邊沿，并且槽幫上邊沿壓力要遠(yuǎn)大于下邊沿，這與槽幫上邊沿磨損嚴(yán)重情況相符合。

圖4 不同時(shí)刻下的槽幫內(nèi)側(cè)壓力(Pa)

3.2 槽幫所受作用力

刮板輸送機(jī)空載時(shí)以及滿載時(shí)刮板與中部槽槽幫間的相對(duì)位置如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)刮板輸送機(jī)空載時(shí)，刮板鏈自然垂落在中板上，與中板貼合，中部槽槽幫邊沿與刮板牛角部位間有一定的間隙；而當(dāng)刮板輸送機(jī)中的煤料積累到一定程度時(shí)，在煤料的支撐作用下刮板鏈被頂起，刮板牛角部位與槽幫上邊沿緊貼，槽幫不僅受到煤料的作用，還受到刮板對(duì)其的擠壓和摩擦作用，且主要集中在槽幫上邊沿。

圖5 刮板與槽幫的相對(duì)位置

為進(jìn)一步探究槽幫上邊沿磨損的內(nèi)在機(jī)理，提取刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中槽幫受到的煤料及刮板作用力，如圖6所示。刮板輸送機(jī)運(yùn)煤過(guò)程中，煤料與刮板均與槽幫發(fā)生接觸，槽幫受刮板和煤料對(duì)其的作用力。從圖6(a)中可以看出，0～3.26s期間，隨著刮板輸送機(jī)上的煤料逐漸增多，煤料對(duì)槽幫的作用力整體呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)；3.26s時(shí)煤料剛剛裝滿整機(jī)，3.26～4.26s期間，隨著最開(kāi)始落入刮板輸送機(jī)內(nèi)的煤料卸載，同時(shí)不斷地有新的煤料落入刮板輸送機(jī)內(nèi)，到4.26s時(shí)刮板輸送機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的滿載狀態(tài)，煤料對(duì)槽幫的作用力達(dá)到穩(wěn)定。由于在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中，煤料處于時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，其位置姿態(tài)不斷變化，使得煤料對(duì)槽幫的作用力也處于一個(gè)波動(dòng)狀態(tài)。穩(wěn)定的滿載狀態(tài)下，煤料對(duì)槽幫的作用力范圍為1180～6732N，均值為2780N。從圖6(b)可以看出，0～1.3s，煤料剛落入中部槽，由于量太少煤料對(duì)刮板的支撐力無(wú)法克服刮板鏈自身重力，刮板依然與中板接觸而與槽幫上邊沿沒(méi)有接觸，刮板對(duì)槽幫的作用力基本為0；1.3s后煤料堆積，刮板在煤料作用下緊貼槽幫上邊沿，刮板對(duì)槽幫的作用力逐漸增大，直到滿載后達(dá)到穩(wěn)定，整體以1s為周期進(jìn)行周期性波動(dòng)，這是由于刮板輸送機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的。根據(jù)刮板輸送機(jī)單節(jié)中部槽長(zhǎng)度(1500mm)大于相鄰兩節(jié)刮板間距(1008mm左右)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，一節(jié)中部槽同時(shí)可以存在的刮板數(shù)量最多為兩節(jié)。在每節(jié)刮板通過(guò)單節(jié)中部槽的過(guò)程中，大約前三分之一和后三分之一的時(shí)間都是有兩節(jié)刮板同時(shí)在同一節(jié)中部槽上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)槽幫所受刮板作用力較大，只有中間三分之一左右的時(shí)間是單節(jié)刮板獨(dú)自在一節(jié)中部槽上運(yùn)行，相應(yīng)的刮板對(duì)其的作用力較低。當(dāng)刮板輸送機(jī)穩(wěn)定滿載時(shí)，刮板對(duì)槽幫的作用力大小范圍為23950～160350N，均值為85509N，是煤料對(duì)槽幫作用力的30.76倍。結(jié)合前文的中部槽損壞部位分布情況和槽幫內(nèi)側(cè)壓力分布特點(diǎn)可知，刮板對(duì)槽幫的摩擦作用是造成槽幫上邊沿磨損的主要原因，即槽幫上邊沿磨損主要是刮板與槽幫間的剛體-剛體磨損。

圖6 槽幫所受作用力

4 槽幫內(nèi)側(cè)曲線優(yōu)化

4.1 槽幫內(nèi)側(cè)曲線設(shè)計(jì)

針對(duì)中部槽槽幫內(nèi)側(cè)曲線，基于上述槽幫上邊沿磨損機(jī)理對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。原有槽幫與新型槽幫的內(nèi)側(cè)曲線結(jié)構(gòu)如圖7所示，其主要差異在于：原有槽幫的上邊沿為直線型，而新型槽幫上邊沿改造為呈現(xiàn)一定弧度的波浪線型，且在上邊沿末端呈現(xiàn)外凸三角狀；同時(shí)新型槽幫下邊沿較原有槽幫多向下傾斜了2°。在槽幫與刮板配合方面，新型槽幫將原有槽幫與刮板接觸后形成的與槽幫內(nèi)側(cè)曲線形狀相同且等距的間隙改成一端小一端大的楔形間隙，能夠起到一定的卸荷作用，減小槽幫上邊沿的內(nèi)側(cè)壓力幅值，改善其磨損狀態(tài)，同時(shí)由于該間隙細(xì)小，若有煤粉進(jìn)入也能在一定程度上產(chǎn)生潤(rùn)滑效果。

圖7 原有槽幫與新型槽幫內(nèi)側(cè)曲線結(jié)構(gòu)

4.2 優(yōu)化效果分析

將新型中部槽(新型槽幫內(nèi)側(cè)曲線)導(dǎo)入刮板輸送機(jī)DEM-MBD耦合模型進(jìn)行仿真，通過(guò)與原有中部槽對(duì)比分析新型中部槽的優(yōu)化效果。提取與圖4相同時(shí)刻下刮板輸送機(jī)的新型槽幫內(nèi)側(cè)壓力，如圖8所示。通過(guò)與圖4對(duì)比能夠得出：與同一時(shí)刻下原有槽幫的的內(nèi)側(cè)壓力相比，新型槽幫壓力明顯更小，其內(nèi)側(cè)壓力在0.9s、2.45s、3.85s和5.35s時(shí)的最大幅值分別為330、3962、5486和8784Pa，各自減小了14、991、1357和2106Pa，將穩(wěn)定滿載狀態(tài)下的壓力值作為基準(zhǔn)，新型槽幫最大內(nèi)側(cè)壓力較原有槽幫降低了19.34%；此外，穩(wěn)定滿載狀態(tài)下新型槽幫內(nèi)側(cè)壓力集中區(qū)域的面積明顯小于原有槽幫，達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)的卸荷目標(biāo)，說(shuō)明該槽幫內(nèi)側(cè)曲線設(shè)計(jì)具備一定的可行性。

提取煤料和刮板對(duì)新型槽幫作用力，繪制隨時(shí)間變化曲線，如圖9所示。與圖6進(jìn)行對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)：與原有槽幫所受作用力曲線相比，新型槽幫的作用力在隨時(shí)間變化的整體走勢(shì)基本保持一致，其差異主要體現(xiàn)為作用力幅值差異。相比于原有槽幫，新型槽幫所受煤料作用力的波動(dòng)范圍變化僅是略微減小，并不明顯，穩(wěn)定滿載狀態(tài)下其作用力波動(dòng)范圍為987～5062N，平均值為2512N，減小了9.64%；而新型槽幫所受刮板作用力在滿載前雖無(wú)明顯變化，但其在穩(wěn)定滿載狀態(tài)時(shí)的相對(duì)較為明顯，作用力主要在32983～89791N范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為49162N，較原有槽幫下降了42.51%，極大地改善了槽幫受力，有利于延緩槽幫磨損。

圖9 新型槽幫所受作用力

5 結(jié) 論

1)從煤料落入刮板輸送機(jī)到其穩(wěn)定滿載過(guò)程中，槽幫內(nèi)側(cè)壓力分布從槽幫下邊沿逐漸向上邊沿區(qū)域集中分布，穩(wěn)定滿載時(shí)槽幫上邊沿壓力遠(yuǎn)大于下邊沿，上邊沿壓力范圍在9842～10890Pa，與槽幫上邊沿磨損嚴(yán)重情況相吻合。

2)刮板輸送機(jī)運(yùn)煤過(guò)程中，槽幫受到煤料和刮板的雙重作用，穩(wěn)定滿載時(shí)刮板被煤料頂起，與槽幫上邊沿緊貼，刮板對(duì)槽幫的作用力均值為85509N，是煤料對(duì)槽幫作用力均值的30多倍，是造成槽幫上邊沿磨損的主要原因，表明槽幫上邊沿磨損主要是刮板與槽幫間的剛體-剛體磨損。

3)基于此對(duì)槽幫內(nèi)側(cè)曲線進(jìn)行了一定的改進(jìn)，并對(duì)其與原有槽幫進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，改進(jìn)后的新型槽幫內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)與刮板接觸后具有一定的楔形間隙，可以起到卸壓作用，有效降低槽幫內(nèi)側(cè)載荷。穩(wěn)定滿載狀態(tài)下新型槽幫最大內(nèi)側(cè)壓力為8784Pa減小了2106Pa，新型槽幫所受刮板作用力均值為49162N，減小了42.51%。