刮板输送机中部槽结构分析与优化设计

陈 明

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿， 山西 太原 030053）

引言

刮板输送机作为煤矿综采工作面运煤和运料的主要运输设备之一，鉴于煤矿井下作业环境恶劣，中部槽的强度、刚度、耐磨损能力较差，易发生故障，影响矿山的正常生产秩序。刮板输送机中部槽作为输送机重要的部件，其可靠性直接影响刮板输送机的效率。众多学者对刮板输送机中部槽作了相关研究。贾会会[1]通过对刮板输送机中部槽失效原因进行深入分析，给出了对刮板输送机中部槽的优化方案，并通过验证发现，使用整铸溜槽代替中部槽后可以有效增大其寿命周期与其工作性能。本文通过对刮板输送机的中部槽受力进行分析，提出刮板输送机中部槽的优化方案，较好地提升了刮板输送机中部槽的使用寿命和可靠性，为提升矿山经济作出了一定的贡献。

1 刮板输送机中部槽静力学分析

对刮板输送机的中部槽进行静力学分析，选定ANSYS 数值模拟软件进行分析，刮板输送机中部槽在运行过程中受力复杂，不仅受到采煤机的重力、牵引力等，还会受到液压支架的拉架力及推溜力等，所以对刮板输送机的中部槽进行分析是一件相当复杂的工作。在不影响模拟精度的前提下对各种工况下的中部槽受力进行适当地简化，以达到提升模拟效率的目的。中部槽模型结构如图1 所示。

图1 中部槽模型结构

图1 中，G1为中部槽槽宽，设定为1.448 m；G2为中部槽内壁至煤板外侧的最大水平距离，设定为0.592 m；G3为中部槽槽帮厚度，设定为0.6 m；G4为铲煤板的厚度，设定为0.114 m；G5为销排中心距离槽帮的距离，设定为1.7 m；G6为中部槽中心至中心线的距离，设定为0.88 m；G7为中板厚度，设定为0.06 m；G8为销排中心线距离槽帮边缘的距离，设定为0.376 m；G9、G10为推移耳孔中心距离底面垂直距离，分别为0.142 m 和0.212 m；G11为内壁至下孔中心线的水平距离，设定为0.52 m；α 为铲煤板倾角，（°）。完成模型尺寸设定后，对模型进行网格划分，在进行网格划分时需要考虑到计算时间及精度，在保证计算精度的前提下，尽量降低模型单元网格数。本文网格划分选定Solid185 六面体单元格划分方式，完成网格划分后，对模型的材料属性进行设定，中部槽材料密度为7.8×103kg/m3，材料的弹性模量设定为202 GPa，材料泊松比设定为0.3，材料设定为各向同性。对模型进行约束设定，将中部槽三个端头设定为固定约束，同时在三个接触面节点的六个自由面均约束其X、Y、Z 方向的位移。完成模型设定后对模型进行模拟计算[2]。当采煤机完成一个步距时，此时刮板输送机需要推进到下一个步距，此时为推溜。推溜工况下中部槽受力模拟云图如下页图2 所示。

由下页图2 可以看出，中部槽在推溜工况下，整体应力集中出现在推移耳及其上方的凸端头、凹端头、中板和槽帮位置，其中在槽帮及推移耳位置出现的应力集中现象最为明显，此时承受推溜力的面应力最大，应力最大值为264.097 MPa，同时在凸端头和推移耳的上方槽帮位置的应力较大，应力为200.453 MPa，此时的应力值仅较推移耳承受载荷位置小。由此可以看出，中部槽及槽帮的受力大小随着距离的增大逐步减小，不同位置受到的应力不同，在长期的工作强度下，推移耳由于受到的强度较大，极易发生损坏，但由于受到的应力未超过其屈服极限，所以不会发生断裂[3]。

图2 推溜工况下刮板输送机中部槽应力（MPa）分布

当刮板输送机完成一个推溜过程后，此时的支架需要以刮板输送机为支点，进行支架拉架前移，此时在刮板输送机的中部槽结构上反映为支架液压缸一端固定另一端拉动支架，此过程称为拉架。拉架工况下中部槽受力模拟云图如图3 所示。

图3 拉架工况下刮板机中部槽应力（MPa）分布

由图3 可知，中部槽在拉架工况下，整体应力集中出现在推移耳及凸端头位置，同时在推移耳及其下方的底板位置受力较大，其中在槽帮及推移耳位置出现的应力集中现象最大，应力最大值为205.536MPa，同时在凸端头根部位置的应力较大，为137.025 MPa，凹端头的应力值较小。可以看出虽然拉架工况下刮板输送机中部槽的整体受力较推溜工况下的中部槽整体应力值小，但在长期高强度使用下，极易造成中部槽部件的变形及损伤[4]。

2 中部槽优化设计

拓扑优化本质上是一种基于数学方法的优化方法，主要是在一定的范围内寻找各种参数的最优配比，以此达到优化的目的。本文利用拓扑优化方式对刮板输送机中部槽进行优化，根据先前两种工况下中部槽的应力云图可以看出，中部槽远离受力面的位置应力均不大，在中部槽推移耳位置受力较大，所以需要对推移耳进行优化设计。对优化部位和不优化部位进行尺寸切割，从而得到中部槽的优化结构。根据拓扑优化结果可看出，当减小材料的百分比为75%时，此时的性能较好，优化后拉架工况及推溜工况下中部槽应力云图如图4 所示。

图4 优化后两种工况下中部槽应力云图

由图4 可知，当在推溜工况下时，此时的中部槽最大应力值出现的位置在中部槽推移耳处，此时在中板连接推移耳的位置应力值同样较大，推移耳的最大应力值为236.64 MPa，较优化前推移耳处的应力值有了一定的降低，优化效果较好。当在拉架工况下时，此时的中部槽最大应力值出现的位置在中部槽推移耳处，此时的底板位置应力出现集中现象，这是由于底板的材料尺寸减小，所以应力增大，推移耳的最大应力值为296.15 MPa，较优化前推移耳处的应力值有了一定的增大，但仍未超过材料的许用强度，起到了一定的减材增效作用，整体来说刮板输送机的中部槽优化效果较好，为降低成本提供一定的贡献[5]。

3 结论

1）利用数值模拟软件对刮板输送机中部槽进行数值模拟建模，给出了建模的过程及参数设定，为了对刮板输送机中部槽静力学分析作出一定的铺垫。

2）利用数值模拟软件对拉架工况及推溜工况下刮板输送机中部槽应力云图进行分析，发现两种工况下中部槽应力最大值均出现在推移耳处，为后续的优化设计提供条件。

3）通过拓扑优化给出了中部槽的优化方案，并通过数值模拟软件对优化后的方案进行模拟分析，发现优化后中部槽最大应力值小于许用应力值，起到了减材增效的作用，优化设计可行。