基于ABAQUS的SGZ1000型刮板机中部槽结构强度分析

原鹏程

（潞安化工集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036706）

刮板输送机作为煤矿开采的关键设备，保证其设备的高效、安全运行，成为企业提高其煤矿开采效率的关键。由于井下环境的恶劣性，综采工作面刮板输送机在作业过程中经常会出现超负荷的作业状态，加上其作业时间较长、外部无规律冲击，导致刮板输送机出现了不同的结构失效现象。其中，中部槽作为该设备中的关键部件，经常出现磨损严重、结构变形或结构开裂等现象。中部槽一旦出现失效现象，将使刮板输送机处于停机维修，这将大大降低煤矿的开采效率。为此，对其进行结构性能研究，掌握其结构变形规律及薄弱部位，成为当前提高部件使用寿命的重要方向。因此，本文通过建立SGZ1000型刮板输送机中部槽仿真模型，开展对其结构的性能研究，提出了其结构的优化改进措施。

1 刮板输送机特点分析

矿用刮板输送机作为煤矿开采中的重要设备，可将其结构分为机头段、中间段、过渡段、机尾段等部分。其工作原理为：通过电机、减速器等传动装置，将动力传输至溜槽上，带动机头和机尾上的链轮组进行旋转作业，所运物料则从刮板输送机的机尾传递至机头，最终输送至转载机上，整套传动系统的是否正常运行，将直接影响煤矿的生产效率。中部槽作为刮板输送机中的重要部件，其结构主要由中板、底板、铲板槽帮、联结板、挡板槽帮、轨座等部件组成，见图1。在其使用过程中，铲板槽帮能有效保证采煤机的安全运行，并为其提供有力支撑，中板则是煤矿运输的运载体。在中部槽设计过程中，要求其结构具有良好的耐磨性及足够的结构强度，但在其使用过程中经常出现结构变形、局部开裂、接触面磨损严重等问题，见图2。这些问题的频繁出现，严重影响着刮板输送机的高效运行作业。为此，对中部槽结构进行升级改造设计，成为当前研究的重点任务。

图1 中部槽结构组成

图2 中部槽现场失效

2 中部槽仿真模型建立

2.1 三维模型建立

以SGZ1000型刮板输送机为研究对象。为进一步掌握中部槽在作业过程中的结构强度，采用Solidworks软件，按照1：1的模型比例，对其进行了三维建模。在模型建立中，为使其结构的分析具有更高的仿真精度，对中部槽中的圆角、倒角、较小圆孔等非关键特征进行模型简化，仅保留了中部槽中铲板槽帮、轨座、挡板槽帮等部件，同时，模型的过渡圆弧也设置成了直角。其三维模型见图3。

图3 中部槽三维模型

2.2 仿真模型建立

采用ABAQUS软件，将建立的中部槽三维模型转换为stp格式后，导入至该软件中，对其进行仿真模型建立。中部槽采用的是Q345材料，故在软件中对Q345材料进行了属性设置，使得材料的屈服强度达到345 MPa，材料的主要指标见表1。由于中部槽的结构相对复杂，故需对其进行布尔分割划分，并采用Solid实体单元模型，四面体网格类型，网格大小设置为12 mm，对轨座进行局部网格加密处理，中部槽的网格划分见图4。根据中部槽的实际安装工况，对其在不同工况条件下进行了固定约束，在完成其他参数设置基础上，实现对中部槽仿真模型的建立。

图4 中部槽网格划分

表1 Q345材料主要参数值

3 中部槽不同工况下结构强度分析

鉴于刮板输送机中部槽在实际使用中具有多种工况，为掌握其结构的综合性能，对其在拉架工况及推溜工况下的结构强度变化情况进行了分析研究。

3.1 拉架工况下强度变化分析

中部槽在拉架工况下，受到的约束载荷力主要来自于液压支架施加的拉架作用力、铲板槽帮凸头受到的相近的凹头侧的作用力等，而中部槽中部则受到垂直于工件的作用力。故在工况下主要在中部的推移铰耳上施加900 kN的拉架作用力。

经过仿真分析，得到中部槽在此工况下的应力变化图，见图5。由图可知，中部槽整体结构出现了应力分布不均匀现象，中部槽的中间区域应力相对集中，最大应力值出现在铲板槽帮的凸端头上，达到了399.9 MPa，超过了材料的屈服强度345 MPa，并沿着中部槽四周，应力值呈逐渐减小的变化趋势。中部槽的底板及中板也出现了不同程度的应力集中现象。分析其原因为：由于中部槽中间推移铰耳处受到较大的拉力作用，作用力通过各机械结构，传递至了各部件上。由此，找到了中部槽铲板槽帮的凸端头为其薄弱部位。

图5 拉架工况下中部槽应力变化

3.2 推溜工况下强度变化分析

中部槽的推溜工况即为：中部槽受到外部推力作业在接触面上进行滑动移动。通过仿真分析，得到了中部槽在推溜工况下的应力变化，见图6。由图可知，中部槽整体结构也出现应力分布不均匀现象，其中，中部槽上的铲板槽帮凸端头上也同样出现了较大的应力集中现象，最大应力值为356.1 MPa，其最大应力集中区域与拉架工况基本相同，与拉架工况下相比，虽最大应力值有所降低，但也超过了材料的屈服强度345 MPa；而中部槽的轨座、中板、底板也出现了不同程度的应力集中。由此可知，中部槽铲板槽帮的凸端头在推溜工况下仍是整个结构的薄弱部位，在实际使用中，应重点关注此区域的结构变形情况，保证其结构的正常、安全使用。

图6 推溜工况下中部槽应力变化

4 中部槽结构优化改进

1）增加中部槽的铲板槽帮结构厚度2 mm左右，可根据实际情况进行分析设计，并将端头上口进行焊接封死，也可在铲板槽帮的凸端头附近不影响其操作功能情况下，焊接加强筋板，以提升该区域的结构强度，见图7。

图7 改进后的中部槽三维

2）对中部槽的哑铃窝进行结构加强，改变此处的生产制造工艺。

3）将中部槽的材料改为Q460，使其材料的屈服强度增加至460 MPa，并在其部件生产过程中，对关键受力部位进行调质、淬火的热处理，以提升其结构强度。

4）在中部槽上应力集中区域开设直径为2 mm的通孔，使得其集中的应力能转移至通孔处，降低中部槽上的最大集中应力值，保证其结构强度。

5 结语

结合SGZ1000型刮板输送机中部槽特点，利用ABAQUS软件，开展了中部槽的结构性能分析，得出：中部槽铲板槽帮的凸端头是整个结构的薄弱部位，找到其结构的变形规律，提出了中部槽结构优化改进措施。这对提高中部槽的使用寿命及刮板输送机的作业效率具有重要指导意义。