基于ANSYS的刮板输送机中部槽的优化设计

张晓文

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿， 山西 太原 030000）

引言

刮板输送机作为现代综采工作面的主要运输设备，在承担煤炭运输任务的同时，还具有采煤机导向和液压支架推移支撑等作用。刮板输送机的安全稳定运行是矿井高产、高效的保证，合理的中部槽关键尺寸是提高刮板输送机综合性能的基础。为此，众多科学家对刮板输送机中部槽的优化设计进行了相关分析研究，并给出了一些技术优化方案。吴乐平[1]为了降低刮板输送机的运行故障，提高运行效率采用ANSYS数值模拟软件对刮板输送机中部槽的参数进行优化设计，经优化后其可靠性与寿命都有效提升，为刮板输送机的中部槽优化提供一定的指导。周书颖[2]通过分析刮板输送机负载境况下的特性，通过加入模糊控制理论，对刮板输送机运行速度等进行优化，保持了载煤段长度为一定值，较好地实现了刮板输送机智能控制的可行性。杜贵云[3]对刮板输送机的中部槽的宽度及中部槽中板的搭接形式进行优化设计，有效提升整机的运行稳定性。镇城底矿为提高刮板输送机运行的安全稳定性，对SGZ

764/630型刮板输送机中部槽进行优化设计，从整体上提高刮板输送机的运行效率。

1 刮板输送机中部槽三维模型的构建

SGZ 764/630型刮板输送机的中部槽主要由铲板槽帮、挡板、底板和搭接板等组成。通过建立三维模型对中部槽进行优化设计，并将模型导入到ANSYS模拟软件中，分别分析了四种工况下中部槽的应力分布状况。对中部槽进行优化前需要进行中部槽建模，选取5节中部槽进行建模，将建立好的模型导入ANSYS模拟软件，然后通过ANSYS DM插件对模型的可行性进行监测，在有限元软件中，进行网格划分是十分必要的，网格划分不得过于细致，这样会加重电脑的计算负荷，但网格划分过于粗同样会使模拟的结果精确度下降，选定八点四面体网格划分对模型进行处理。中部槽模型网格示意图如图1所示。

图1 中部槽模型网格示意图

完成网格划分后对其进行应力加载，当中部槽进行直行割煤时，分别对第一节凹端及第五节凸段进行固定，剩余凸凹端的接触默认为无摩擦接触。把采煤机滑靴的压力作用于铲板槽的帮板上，作用面积为两者的接触面积。前导向滑靴分别对煤壁及销轨存在压力。根据中部槽的材料特性对中部槽的物理属性进行设置，本文的中部槽材料选择为6BM，中部槽材料属性参照表详见表1。

2 刮板输送机中部槽的应力仿真分析

表1 中部槽材料属性参照表

模型建立完后，对直行割煤进行模拟，研究其中部槽应力分布情况。直行割煤下中部槽的应力分布图如图2所示。

图2 采煤机直行割煤下中部槽的应力（MPa）分布图

从图2可知，在采煤机进行直行割煤的过程中，中部槽受到的最大压应力为399MPa，同时最大应力出现在中部槽的铲板槽帮的凸端位置，相比于应力集中部位的应力剩余位置的应力值相差较远，应力分布出现对称轴的趋势，每处应力值都小于制作材料的屈服极限，因此采煤机在此工况下对中部槽损害较小，机械设备的磨损程度较低，使用寿命偏长。采煤机进行斜切进刀工作时，中部槽的第一节凹端和第四节凸端施加铰接固定，剩余凸凹端的接触默认为无摩擦接触，且将采煤机滑靴所受的应力施加于铲板上，接触面积为两者之间的作用面积[4]。采煤机斜进刀中部槽应力分布图如图3所示。

图3 采煤机斜进刀中部槽应力（MPa）分布图

从模拟结果图3可以看出，在采煤机进行斜进刀割煤的过程中，中部槽受到的最大压应力为356 MPa，同时最大应力出现在中部槽的铲板槽帮的凸端位置，相比于应力集中部位的应力剩余位置的应力值相差较远，应力分布出现对称轴的趋势，斜进刀工况下，轨座、销轨与中部槽受到的应力值均小于材料屈服极限，当中部槽的部件承载的应力超过材料屈服强度后，部件将会产生永久的变形，当其应力值超过部件屈服极限，部件将会发生破坏，降低矿井的运输效率。

3 优化结果与模拟分析

刮板输送机在实际运行过程中，由于运输量大，中部槽常常处于较大载荷的压力下，磨损严重，特别是在槽帮哑铃窝部位常常发生破坏。因此提升中部槽的刚度是非常有必要的，本文对中部槽槽帮哑铃窝位置进行设计优化，以此来提升中部槽的刚度，提升部件的使用寿命。槽帮优化前后示意图如图4所示。

图4 优化前后的结构应力分布图

在相同的条件下，对改进后的中部槽进行模拟研究，模拟结果如图5所示。

图5 优化后的结构应力（MPa）分布图

发现在相同的载荷及约束条件下，其余模拟条件保持不变，单一将结构的优化模型作为变量，图中优化后中部槽受到的最大应力为1 462 MPa，与优化前的最大应力值比较有了一定的降低，根据其云图的色彩显示看出，优化后中部槽的应力集中分布区域有了一定的减少，应力分布分散，不会出现单点的应力集中现象，可以有效地避免中部槽单点损坏，提升了中部槽使用寿命及其强度。优化后中部槽的槽帮满足其许用强度，能够满足其安全性要求。

为验证优化效果，现场实践对优化后的刮板输送机中部槽进行观测。为了更好地检测中部槽的槽帮磨损情况，对中部槽各部件的磨损进行对比，对比厚发现，中部槽中板的平均厚度较设计的40 mm降低了3.6 mm，中板的平均厚度较设计的30 mm降低了1.56 mm，链道平均厚度磨损量较剩余部位的磨损量有了一定的增大，多磨损了1～2mm。由于本文中测量的尺寸均为槽口尺寸，所以中部槽的真实磨损量较测量值较小[5]。可以看出输送机槽帮磨损量在合理的范围内，并会造成中部槽的断裂，哑铃处的压溃破坏及变形等均未发生，实践证明优化效果显著。

4 结论

1）镇城底矿为保证刮板输送机的运行安全稳定性，采用ANSYS数值模拟对采煤机直行及斜切割煤下中部槽受力情况分别进行分析，给出了直行割煤及斜进刀割煤下中部槽应力分布情况。对模拟后的应力集中部位槽帮部进行优化设计，较好地解决了应力集中，且中部槽的最大应力载荷有所降低，有效提升了中部槽的使用寿命。

2）根据现场实际测量发现中部槽中板及底板的平均厚度均低于设计厚度，链道部位的磨损较其余部位多了1～2 mm，但中部槽未发现明显的破坏变形情况，保证了刮板输送机的安全稳定运行效率。