刮板输送机中部槽参数优化研究

2022-07-08徐浩

机械管理开发 2022年4期

徐浩

（山西焦煤西山煤电西曲矿，山西太原 030024）

引言

刮板输送机作为我国重要的煤矿运输设备，其主要承担着运煤、运矸的任务，在日常工作过程中，刮板输送机可以根据相应的采煤方式变化调节运输方式[1-2]。主要的运输方式可以分为倾斜运输及水平运输。刮板输送机中部槽作为刮板输送机重要的部件，其质量约占刮板输送机总质量的7 成，中部槽是刮板输送机实现运输功能的重要保证。在实际工作中，由于矿井环境较为恶劣，使得刮板输送机在运行过程中受到外部载荷及内部电压不稳的影响出现较大程度的磨损，严重限制了机械的使用寿命及使用性能，所以对刮板输送机的中部槽进行优化研究是十分必要的[3-4]。

1 数值模拟研究

中部槽主要是由中板、底板、铲板槽帮、挡板槽帮、销轨座组成，每节中部槽通过哑铃销进行连接，其中挡板槽帮的推移耳主要是用于推溜拉架，而铲板槽帮主要用于刮板输送机运行的轨道支撑作用。对刮板输送机的在中部槽进行动力学分析首先需要对中部槽受力进行分析，一般来说中部槽的受力来源于两个部分，一部分为采煤机自重作用于中部槽，另一部分是由于滚筒截割煤层时受到的截割组成传递到中部槽上的力。

对中部槽进行动力学分析，首先进行模型的建立，从模拟软件的外接模块ANSYS/LS-DYNA 进行三维模型的导入，对模型的单元进行划分，本文选用solid185 单元对平滑靴进行划分，中部槽及哑铃销采用solid187 进行划分，完成模型划分后对中部槽的材料进行选择，中部槽采用ZG30MnSi，哑铃销选用30CrMnTi。对模型的边界条件进行设定，对中部槽底面进行固定，同时对销轨座和中部槽施加固定约束。分别对三个时间下的等效应力云图进行分析，应力云图如图1 所示。

图1 直线工况三个时间下的等效应力（Pa）云图

从图1 中可以看出，在中部槽的哑铃窝处及铲煤板肋板根部位置会出现应力集中。其中中部槽哑铃窝处的高应力主要是由于中部槽的端头位置相互搭接，从而在端头位置会产生相对的应力，造成哑铃窝处出现应力集中。同时通过分析云图可以看出，当平滑靴运动之铲煤板位置时，此时会在中部槽的哑铃窝处出现一定的拉应力，哑铃窝处会出现较大的拉应力。在铲煤板侧肋板根部的应力集中会随着平滑靴的运动而改变，这是由于平滑靴对铲煤板产生向下的力，使得铲煤板出现向下的变形，所以肋板由于阻止这种变形会出现应力集中。

对斜切工况下的受力进行分析，分别给出三个时间节点时的等效应力云图，应力云图如下页2 所示。

从下页图2 可以看出，斜切工况下的应集中位置与直线工况下的应力集中位置几乎没差，同样集中在肋板的根部及哑铃窝处，在斜切工况下，在后槽帮的位置虽然无明显的应力集中情况，但应力变化情况较为明显，这是由于在销轨处未设置X 方向的约束，所以造成X 方向上等效应力变化明显的现象。在肋板的根部及哑铃窝处出现应力集中现象的重要原因与直线工况下的应力集中的原因类似，所以可以看出在直线工况及斜切工况下肋板的根部及哑铃窝处均是部件的薄弱点，需要对其进行优化设计，以保证设备的工作性能及使用寿命。

图2 斜切工况三个时间下的等效应力（Pa）云图

2 优化设计研究

对刮板输送机中部槽进行优化设计，由于先前模拟得出中部槽的薄弱位置为肋板的根部及哑铃窝处，所以选定优化参数为肋板倒角、哑铃窝弧形半径、铲板厚度、肋板厚度，将四组参数输入UG 软件中，软件通过静力学分析选定最佳的参数配置，在软件中设计变量并给出目标函数及约束条件的设定，通过仿真模拟确定最佳的参数，保证模型受力小于材料得许用强度。通过对比分析，系统给出最佳的参数为肋板倒角29.8 mm、哑铃窝弧形半径34.1 mm、铲板厚度94.1 mm、肋板厚度30.9 mm，得出最佳的参数后对刮板输送机中部槽进行优化，对优化后的模型进行模拟，模型的受力云图如3 所示。

从图3 可以看出，通过对刮板输送机中部槽进行优化后，整体中部槽的受力较为平均，仅在肋板位置出现面积较小的应力集中，应力集中区域的最大应力为211.2 MPa，较优化前的应力有了明显的降低，同时由于优化肋板倒角、哑铃窝弧形半径、铲板厚度、肋板厚度的结构尺寸，使得整体部件制作成本降低，较好地实现了降本增效的目的。同时对肋板倒角、哑铃窝弧形半径、铲板厚度、肋板厚度四种影响因素的敏感度进行分析，发现肋板厚度对整个中部槽性能影响的程度最大，铲板厚度对中部槽影响其次，哑铃窝弧形半径对整个中部槽的影响最小，所以在进行优化设计时，可以忽略哑铃窝弧形的影响，仅对肋板倒角、铲板厚度、肋板厚度的结构尺寸进行优化，既可以确保材料的使用性能，又可以提升优化效率。优化后材料质量从726.71 kg，降低至722.47 kg，降低了0.5%，最大变形量降低了4.8%，有效提升了刮板输送机中部槽的使用性能及使用寿命，设计较为成功。