基于模拟仿真的刮板输送机结构优化研究

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196 /矿业装备 MINING EQUIPMENT
基于模拟仿真的刮板输送机结构优化研究
□ 安 鹏 山西阳泉(煤业)集团新景矿有限责任公司
1 刮板输送机原理与结构
刮板输送机原理图如图1所示（1主动链轮，2刮板链，3溜槽，4尾轮，5张紧机构）。

它是通过链轮和铲运机链轮啮合，带动链轮转动，带动链轮和铲运机在中心槽内运动。

驱动链轮驱动环链闭合循环运动，刮板链在中心槽板上下循环运动，相应由刮板和中心槽的相对运动完成对散料的输送任务。

反观其结构，其中位于刮板输送机的尾部的链轮既可以作为主动轮驱动整个装置也可以发挥导向作用。

此外，为保证刮板输送机在长期使用过程中不脱链，通过增设相应的张紧装置保证链轮和链条间的张力。

槽上的滑动过程，而这一过程不可避免地引起摩擦的力学性能也不同，中心槽与刮板、物料的摩擦条件不同，中心槽的磨损也不同。

中心槽与刮板、煤岩摩擦接触分析，刮板表面的压力载荷包括刮板重力 (约9.4×103 Pa)和正常载荷以上刮板煤岩表面的压力载荷；煤或岩石表面的压力负荷或施加于中心槽表面的法向负荷。

在一般工况下，物料带给输送刮板的法向力大于其自重。

而这只是一个模糊的估计，为了更加清晰地研究输送物料不同、工况不同给刮板、输送板带来的摩擦现象，有必要对中心槽煤或煤与刮板的实际正常载荷进行抽提。

采用仿真软件对中心罐体物料输送过程进行仿真，提取中心槽内的煤岩，板的实际正常载荷。

通过模拟运输煤炭分析发现煤对中央槽板材料表面的正常负载约104 Pa。

岩石对刮板或中央槽板在正常载荷P 表面的岩石材料约1.6×106 Pa 和刮板或中部槽板加载重力载荷的2.7倍。

物料输送过程中刮板、中部槽中板、物料相互摩擦接触时，早期和晚期为不稳定阶段，受力并不稳定，为此本文就三者摩擦接触中期的受力进行研究。

输送三种不同材料时，通过分析中间槽和刮板以及摩擦接触材料中间阶段中部槽受力的等效应力云图发现，虽然负载条件不同，但其等效应力云图大致相同。

深入研究发现这是因为槽运输方向上中线附近的堆料集中，相应的应力值偏大的缘故。

另外，由于输送三种不同的物料载荷条件差异
作为矿山生产的重要设备，刮板输送机一直是众多学者研究的对象。

而随着国家能源结构调整对矿山生产装备提出了更高的要求，围绕着输送机结构改造的研究就没有停止。

中部槽作为刮板输送机运输物料时的主要承载部件，其摩擦磨损相当严重为此有必要围绕着中间槽展开一定的研究。

图1 刮板输送机原理示意图
2 中部槽的受力分析
结合刮板输送机的结构特点和输送原理，其主要输送的是采后矿石、散料等颗粒状、块状、粉末状的物料。

同时结合刮板输送机的结构有无挡板输送、单侧挡板输送和双侧挡板输送。

刮板输送机输送物料的过程中，中心槽是主要的支承部件。

刮板输送机的物料过程是刮板在中心
明显，相应的中间槽的受力情况也存在差异。

具体的，中间槽在输送岩石工况下等效应力最大在600 kPa左右；其次是输送煤夹岩的工况，等效应力约为500±50 kPa；中间槽等效应力最小的是输送煤料时，其值约为425±30 kPa。

3 中部槽优化与仿真验证
同时结合一般结构设计中的经验，将传统的刮板输送机中部槽中板表面改造为凹形非光滑表面。

最终，将中间槽中板表面设计成为分布规则的、尺寸为（3±1 mm×5±2 mm）的凹坑。

坑距40±10 mm。

在矿山刮板输送机中部槽的升井检测和测量中，主要对输送带中厚板和底板的中心槽槽的磨损情况进行断裂、变形、损伤和变形的刮板链磨损。

同时对输送机上的传动齿轮等传动部件开展基本的检测。

其中作为在散料输送过程中受载显著、与刮板产生明显摩擦现象的中部槽是决定刮板输送机正常性能的关键。

而在矿山生产中对于刮板输送机等设备的检测主要集中在中部槽及其地板的磨损情况。

本文将基于仿生设计前后的中部槽建模并在受力分析软件ANSYS中进行摩擦模拟分析后发现，刮板与中心槽的摩擦接触早期和后期为不稳定阶段，因此，本文分析刮板与中心槽在中间的摩擦接触计算结果。

观察刮刀与中心槽之间的摩擦接触台阶（刮刀至25 mm）在槽中部的等效应力云图可知，原试件的中心槽与中心槽仿生等效应力云图大致相同，刮刀和紧固螺栓两端边缘的等效应力较大，约为周围区域的2倍。

同时，原试样中心槽处的最大等效应力大于原试样中心槽处的最大等效应力。

通过对优化后的中部槽受力模拟结果分析，发现原试样和优化试样的应力分布情况相似，均表现出中部和紧固螺栓位置端部边缘处应力较大的特点。

同时结合各处的最大值也表原试件的应力大于优化试件。

当刮刀与槽步式摩擦接触时，观察中间板与中间表面接触的应力云图。

槽原样品显示了在中间板的中间表面接触应力云图和中部槽的仿生样品大致相同，刮刀和拧紧螺丝的两端边缘接触应力较大，在周边地区的9倍。

因此，刮板与中心槽板摩擦接触中心槽时，刮板表面最大等效应力和接触应力均位于刮板两端，两侧螺栓紧固，同时存在明显的应力集中现象。

因此，刮板和中间槽槽中厚钢板摩擦接触，刮刀钝刀，刮刀，拧紧螺栓两边像“刀片”
两端中间槽槽板剪切，剪切引起的循环中部槽板塑
性变形积累，从而出现疲劳剥落和穿。

通过对优化后的刮板输送机中部槽试件表面
接触应用分布情况分析可知，优化前后的中部槽中
板的表面接触应力相似，都出现了中板表面的接触
应力极值出现在中间和板两端及紧固螺栓的位置上。

在变化趋势接近的同时也出现了不同程度的应力集
中。

但优化后的试件表面的应力明显小于原试件。

（a）（b）
图
1 中部槽中板表面磨损磨痕
图1（a）为长期工作后中间槽板表面的磨损
痕迹。

从图中可以看出，刮刀两侧及紧固螺栓两端
均有明显的磨损痕迹。

图1（b）是磨损和磨损痕
迹的60倍放大图像。

由于凹坑结构具有应力释放效应，凹坑表面的
平均接触应力和接触应力的标准差小于试样光滑表
面。

往往由于摩擦副在接触过程中接触面受力不均，
导致受力较大的地方先磨损。

一些区域的接触应力
均值和标准偏差越小，表明区域各处的接触面力越
均匀。

进而表明凹坑形貌改善了凹坑表面的应力状
况，提高了表面的耐磨性。

4 结语
通过研究发现，非光滑表面由于凹坑的存在，
容易变形而产生更多的压应变能和弯应变能，起
到缓释应力的效果，进而提高表面耐磨性能。

随
着凹坑边长和间距的增大，非光滑表面耐磨性先
增大后减小，且存在一个最优值；随着凹坑深度
的增加，非光滑表面耐磨性逐渐增大。

通过对煤
料输送中中部槽中板、刮板的摩擦和受力情况对
中部槽展开了一定的改造。

最后通过在软件中进
行摩擦仿真和在实际工况检验后的结果表明不但
提高中部槽的支撑能力，也通过改造中部槽的表
面，提高耐磨性。

〔安鹏（1986—），男，山西省平遥市人〕
2019.4 矿业装备 / 197。