矿用刮板输送机中部槽结构的磨损特征分析研究

李冬侠

（阳泉煤业（集团）有限责任公司煤机装备研究院， 山西 太原 045000）

引言

近年来我国综采工作面正朝着大采高方向发展，这对包括刮板输送机在内的采煤设备性能提出了更高的要求[1-2]。刮板输送机在工作过程中，中部槽是承载煤矿物料的主要结构件，其在运行时容易出现磨损现象[3-4]。一旦磨损达到一定程度，会对刮板输送机运行可靠性造成不利影响，进而影响采煤生产的连续性[5]。因此有必要对刮板输送机中部槽结构的磨损现象进行深入分析和研究，掌握其磨损特征，分析导致中部槽出现严重磨损的原因，在此基础上提出针对性的磨损防治措施。

1 刮板输送机运行模型的建立

1.1 三维几何模型的建立

基于SGZ1000/2100型号刮板输送机建立三维几何模型，用到的建模软件为SolidWorks。建立几何模型时严格按照该型号刮板输送机的几何尺寸执行。本研究中主要研究对象为刮板输送机的中部槽，建模时以中部槽为核心，对其他非核心结构件进行简化处理。将建立的三维几何模型导出为IGES格式，以便导入到EDEM软件中进行后续分析。

1.2 有限元模型的建立

将IGES格式的三维几何模型导入到EDEM软件中进行网格划分，选用的网格单元形式为三角形壳体单元，将网格边长设置为10 mm，最终划分得到的单元数量和节点数量分别为276 344个和556 230个。利用刮板输送机对煤矿物料进行运送过程中，煤矿物料之间肯定会产生相互碰撞与摩擦，如何处理不同煤矿物料之间的碰撞和摩擦问题是本模型的关键所在。实践经验表明，Hertz-Mindin模型具有较好的应用效果。因此选用该模型作为煤矿物料之间的碰撞与摩擦模型。模型中还需要输入准确的材料属性才能够得到理想的结果。刮板输送机使用钢的剪切模量和泊松比分别为85 GPa和0.22，煤对应的数值分别为13.5 GPa和0.3，钢和煤的密度分别为7 800 kg/m3和1 500 kg/m3。

1.3 有限元模拟结果与现场情况的对比分析

在煤矿井下工作现场，采煤机获得的煤矿物料会直接散落在刮板输送机中部槽上面，刮板输送机对物料进行输送。图1-1所示为刮板输送机的现场运行情况，从图1中可以看出，当煤矿物料稳定后，刮板附近集中的物料相对较多，其他位置则相对较少。图1-2所示为有限元模拟的结果，同样发现煤矿物料集中在刮板附近，其他区域的煤矿物料相对较小。可以看出有限元模拟结果与现场的情况基本相同，说明建立的有限元模型是正确的。

图1 煤矿物料沿刮板输送方向的分布情况对比

2 中部槽结构的磨损特征分析

对于刮板输送机而言，中部槽结构是其中最为核心的结构件。在正常工作过程中煤矿物料与链条、刮板发生接触产生摩擦磨损。特别是煤矿物料刚装入到中部槽时，煤矿物料会产生加速度，加速度的力全部由刮板和链条摩擦力提供。由此可以看出，煤矿物料从速度为零加速到稳定状态，这个过程会对刮板和链条造成一定程度磨损，会不同程度作用于中部槽基于建立的有限元模型模拟中部槽的磨损现象，主要通过中部槽平均线磨损深度来表征结构的磨损情况。

图2 刮板输送机中部槽平均线磨损深度随时间的变化曲线

下页图2所示为中部槽结构平均线磨损深度随时间的演变曲线。需要说明的是，模型是从煤矿物料落入中部槽时开始进行计算。由图中的变化曲线可知，煤矿物料开始落入中部槽后，平均线磨损深度开始快速加大。随着时间推移，平均线磨损深度的变化速度逐渐减慢。当煤矿物料的速度与刮板输送机的速度保持相同时达到稳定状态，两者之间不存在相对运动，因此也不存在磨损现象。此时中部槽平均线磨损深度也保持稳定，不再发生变化。

3 中部槽结构的磨损特征影响因素研究

3.1 刮板输送机运行速度对中部槽磨损的影响

刮板输送机在实践应用过程中，其运行速度会对输送能力产生影响。运行速度不同，中部槽磨损情况会存在差异。为分析刮板输送机运行速度对中部槽磨损的影响规律，基于有限元模型模拟分析了速度分别为0.8 m/s、1.0 m/s和1.2 m/s时中部槽的磨损规律。如图3所示为不同运行速度时中部槽的磨损特征曲线。

图3 刮板输送机不同运行速度时中部槽磨损特征曲线

不同运行速度下中部槽的磨损特征曲线均表现出了类似的演变规律。刚开始阶段磨损现象比较严重，而后磨损现象逐渐得到缓解，最后基本保持稳定。在刚开始阶段出现快速磨损的原因在于，大量煤矿物料落入刮板输送机中部槽中，不仅对中部槽造成较大冲击，同时需要很大的摩擦力对煤矿物料进行加速。对比不同运行速度下中部槽的磨损特征曲线可以发现，随着运行速度的增加，中部槽磨损速度变得越来越快，达到稳定状态时的磨损程度会很严重。运行速度增加意味着单位时间落入中部槽的煤矿物料质量增多，速度增大后煤矿物料难以堆积，使得煤矿物料与中部槽间的接触面积增大。这些因素都会使得中部槽的磨损现象变得更加严重。

3.2 煤矿物料运输质量对中部槽磨损的影响

为了研究煤矿物料运输质量对中部槽磨损的影响规律，在有限元模型中分别将煤矿物料的质量设置成为1 500 kg、1 800 kg和2 100 kg进行仿真模拟计算。如图4所示为不同煤矿物料质量时的中部槽磨损特征曲线。

刮板输送机输送的煤矿物料质量不同时，中部槽磨损规律基本类似。在刚开始阶段，磨损现象显著，平均线磨损深度随时间增加出现快速增长趋势，最后都保持稳定。3 s后，输送质量为1 500 kg时中部槽磨损现象得到缓解，8 s时基本保持稳定。对比不同运输质量时的中部槽磨损特征曲线可以发现，运输质量越多，中部槽磨损现象越严重，不管是磨损速度还是磨损程度都显著提升。另外还可以发现，运送的煤矿物料质量越高，达到稳定状态需要的时间更长。

图4 不同煤矿物料质量时的中部槽磨损特征曲线

3.3 材料剪切模量对中部槽磨损的影响

基于有限元模型模拟分析了不同材料剪切模量对中部槽结构磨损的影响规律，剪切模量的取值分别为75 GPa、85 GPa、95 GPa。如图5所示为不同材料剪切模量时中部槽的磨损特征曲线。

图5 不同切变模量时中部槽的磨损特征曲线

不同剪切模量下中部槽磨损情况变化趋势基本相同。随着材料剪切模量的增加，中部槽的磨损现象变得更加严重。出现这种情况的原因在于，高的材料剪切模量意味着其抵抗切应变的能力相对较强，即在一定应力作用下，发生弹性形变越小，在煤矿物料、链条、刮板等与中部槽发生接触时，就会产生摩擦磨损，所以使用高的剪切模量中部槽材料反而会加速磨损。

4 中部槽结构磨损防治措施分析

基于模拟仿真结果可以发现，随着刮板输送机运行速度的增加以及运输质量的加大，中部槽结构的磨损现象变得越来越严重。理论上应该对刮板输送机的运行速度以及装载量进行控制，以降低中部槽的磨损问题。但是在实践过程中降低刮板输送机的运行速度以及装载量意味着采煤效率的降低，所以降低刮板输送机的运行速度和装载量不太现实。这种情况下，应该使用耐磨性能更好的材料来提升中部槽耐磨性。另外，中部槽材料的剪切模量越大，其磨损现象越严重，所以在选用中部槽材料时，应该考虑其切变模量的影响，优先选用剪切模量相对较低的材料。通过材料的合理选用，能够有效规避中部槽结构在运行过程中出现过早磨损的问题，提升其服役寿命。

5 结论

刮板输送机是采煤过程中的重要运输装备，其运行可靠性会对采煤过程产生决定性影响。中部槽结构是刮板输送机中的重要结构件，中部槽的工作性质决定了其容易出现磨损问题。基于有限元方法，对中部槽结构的磨损现象进行了仿真分析。结果发现，随着时间的延长其磨损现象变得越来越严重。另外，当刮板输送机的运行速度、装载的煤矿物料质量、中部槽材料的剪切模量增加时，中部槽磨损现象变得更加严重。结合实践情况，认为中部槽结构应该选用耐磨性能更好、剪切模量相对较低的材料进行加工制作，以提升其使用寿命。