刮板输送机中部槽的磨损特性及其耐磨优化研究现状.pdf

第2 9 卷第6 期2023年11月文章编号：10 0 8-5548(2 0 2 3)0 6-0 0 0 1-15刮板输送机中部槽的磨损特性及其耐磨优化研究现状中国粉体技术CHINAPOWDER SCIENCE ANDTECHNOLOGYVol.29 No.6Nov.2023doi:10.13732/j.issn.1008-5548.2023.06.001李博，乔琳栋，夏蕊，王学文（太原理工大学机械与运载工程学院，煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原0 30 0 2 4）摘要：为了降低刮板输送机中部槽磨损失效而产生的影响和提高耐磨性能，综述中部槽磨损特性和耐磨优化研究的发展历程，包括磨损形式、磨损原因、磨损形貌和磨损区域等理论研究，输运条件、煤岩散料特性等试验研究，离散元法及与多体动力学耦合的仿真分析等。概括耐磨材料、表面强化技术、结构改进、仿生设计等4种提高中部槽耐磨性能的方法。提出磨损特性研究的下一步方向为磨损内在本质的研究、磨损定量的研究，提出用非线性理论方法进行中部槽磨损量拟合、磨损预测等新的研究思路；耐磨优化研究重点应在节约成本，并将耐磨技术尽快应用于刮板输送机生产实际；用非线性理论方法进行中部槽磨损量拟合预测，并从中部槽摩擦副之间的相互作用为出发点进行磨损特性和耐磨优化的研究。关键词：刮板输送机；中部槽；摩擦磨损；耐磨优化中图分类号：TD528；T H 2 2 7；T B44引用格式：李博，乔琳栋，夏蕊，等.刮板输送机中部槽的磨损特性及其耐磨优化研究现状J中国粉体技术，2 0 2 3，2 9（6)：1-15.LI B,QIAO L D,XIA R,et al.Present situation of wear characteristics and wear resistance optimization in line pane of scraperconveyorJ.China Powder Science and Technology,2023,29(6):1-15.文献标志码：APresent situation of wear characteristics and wear resistanceoptimization in line pane of scraper conveyorLI Bo,QIAO Lindong,XIA Rui,WANG Xuewen(College of Mechanical and Vehicle Engineering,Shanxi Provincial Key Laboratory of Coal Mining Equipment,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:In order to reduce the impact caused by the wear fault in line pane of scraper conveyor and improve wear resistance,the development of wear characteristics and wear resistance optimization were reviewed,including the theoretical studies aboutwear forms,wear causes,wear morphology and wear areas,the experimental studies about transport conditions and coal bulkproperties,and the simulation analysis about discrete element method and coupling with multi-body dynamics.Including wear-resistant materials,surface strengthening technology,structural improvement and bionic design,four methods to improve the wearresistance in line pane were summarized.It is suggested that the next direction of the research of wear characteristics is to studythe intrinsic nature of wear and the quantitative study of wear.The research of wear-resistant optimization should focus on savingcost and applying wear-resistant technology to real scraper conveyor production as soon as possible.The nonlinear theory methodis used to predict the wear quantity of the middle groove,and the wear characteristics and wear resistance optimization are studiedfrom the interaction between the friction pairs of the middle groove.Keywords:scraper conveyor;line pane;friction;wear resistance optimization收稿日期：2 0 2 3-0 8-0 9，修回日期：2 0 2 3-0 9-0 5。基金项目：国家自然科学基金项目，编号：52 2 0 4149,518 0 42 0 7；山西省基础研究计划，编号：2 0 2 10 30 2 12 2 30 8 0,2 0 2 2 0 30 2 12 2 10 51。第一作者简介：李博(198 8 一),男，副教授,博士,硕士生导师,研究方向为机械装备结构与性能优化。E-mail：l i b o t y u t.e d u.c n。通信作者简介：王学文（197 9），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为机械设计及理论。E-mail：w x u e w 16 3.c o m。2刮板输送机是煤炭开采过程中运煤的关键设备，其高效安全的运转关系着整体的采煤效率1-1。中部槽是刮板输送机运行时煤料的承载部分3，主要由槽帮、中板、底板等部件组成。在煤矿实际生产过程中，中部槽工作空间狭窄,且直接与刮板链、刮板和煤块等接触发生摩擦,产生的磨损十分严重，是刮板输送机磨损最严重的部件4-8。而刮板输送机发生故障，也多由中部槽的过度磨损或断裂引起9，因此，中部槽能否长久使用是整个刮板输送机保持连续运行和高效运煤的关键。中部槽磨损特性的研究经历了一定的发展过程10-12。前期大部分的研究集中于中部槽的磨损形貌、磨损形式等方面，磨损特性研究处于基础阶段；随着综采工作面及煤炭开采技术的不断发展，基础理论研究不能完全满足刮板输送机的发展要求，相关学者开始分析中部槽的运行工况特点和煤散料的不同特性,利用磨损试验机模拟不同的工况条件,研究中部槽的磨损部位、影响磨损的因素等,磨损特性研究得到进一步发展；随着离散元法与仿真技术的发展，学者们开始将离散元仿真技术引人煤机装备研究中，基于离散元法构建中部槽与煤散料的刚散耦合模型进行仿真研究，并取得了大量的研究成果，磨损特性研究朝着现代化和全面化方向发展。基于磨损特性的研究,对于提高中部槽耐磨性能和使用寿命方法的研究也在一步步发展13-15。最初的研究集中于中部槽的制作材料方面，学者们将尼龙、合金等新型材料替代原有的传统金属材料，中部槽磨损现象得到改善；随着堆焊、熔覆等技术在金属材料方面的研究发展，学者们利用表面强化技术在中部槽表面生成涂层，中部槽耐磨性能得到进一步提高；同时有学者通过调整厚度、曲线优化等方法实现中部槽的结构改进,其耐磨性能同样得到提高；随着仿生技术的不断成熟，学者们通过提取特定的生物体表面结构特征，加工成相应的仿生中部槽，将仿生理论应用于煤机装备中,经试验验证，中部槽耐磨性能大幅度提高。中部槽耐磨优化研究朝着高效化和多元化方向发展。本文从中部槽的磨损特性和耐磨优化两方面入手，从理论研究、试验研究、仿真分析3个方面综述了中部槽的磨损特性研究现状，介绍了耐磨材料、表面强化技术、结构改进、仿生设计4种提高中部槽耐磨的方法,并对中部槽的耐磨优化研究做出展望。1中部槽的磨损特性磨损是一种因摩擦而引起物质不断损失的现象16。图1为中部槽磨损图。如图所示，中部槽长时间与煤研石和刮板等摩擦，发生的磨损十分严重。目前，相关学者通过运用理论研究、试验研究、仿真分析等方法在刮板输送机中部槽磨损特性方面进行了大量的研究,并取得了一定的研究成果。中国粉体技术第2 9卷(a)中板磨损1.1 理论研究中部槽的磨损理论研究集中在磨损原因、磨损形式、磨损形貌和磨损区域4个方面。对于磨损原因，首先联想到中部槽与煤块直接接触发生摩擦。王新刚等17 将中部槽和刮板链的工况特点相结合，运用摩擦学理论分析中部槽磨损失效的原因，发现刮板链会无规则上下浮动，部分煤块被压在刮板链和刮板下，导致中板与煤块发生持续磨损,同时在中部槽下方煤块堵塞，导致运行阻力增大，加剧磨损。中部槽运行情况十分复杂，外有空间狭小、粉尘污染的工作环境，内有复杂零部件之间的(b)槽帮磨损图1刮板输送机中部槽磨损Fig.1Wear in line pane(c)底板磨损第6 期相互作用，因此磨损原因不是唯一的。吴兆宏等18 根据煤矿井下的刮板输送机调研资料，发现磨损不仅仅由煤块与中部槽摩擦产生，还包括刮板、刮板链以及其他部件对中部槽的接触摩擦产生的磨损。对于磨损形式,Chen 等19以SGW-44 型刮板输送机为研究对象，分析了中部槽的结构和工作时的磨损情况，指出磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损是中部槽失效的4种形式。赵运才等2 0 通过研究中部槽摩擦学系统结构探索其磨损形式,发现在经典磨损理论的基础上，中部槽磨损形式以磨粒磨损和腐蚀磨损为主。对于磨损形貌和磨损区域，并下服役过的刮板输送机即为最真实的研究对象。在磨损形貌方面，胡元哲2 1从宏观表面和亚表层2 个方面分析了中部槽的磨损形貌,在宏观形貌上，煤块的不规则棱角在中部槽表面形成较深的磨坑，磨坑附近出现严重变形，呈现出纤维状的组织；在亚表层形貌上出现白亮层，由磨损产生的表面细马氏体组织组成，与中部槽基体材料形成鲜明对比。史志远2 2 通过调研煤矿开采单位、相关制造企业等，获得了许多真实磨损后的中部槽样槽资料，总结出中板的主要磨损形貌为链道磨损和穿透,底板的主要磨损形貌为变形与开裂。在磨损区域方面,史志远2 2 分析了磨损后的中部槽,发现在潮湿和易腐蚀的环境下，中板和底板磨损情况严重。温欢欢等2 3分析煤机公司报废后的中部槽磨损情况，结果表明，中部槽整体存在不同程度的磨损，刮板链下方区域、中板边缘和槽帮处磨损最严重。1.2试验研究中部槽的磨损量并非是定值，与工况、环境温湿度和煤散料性质等有着密不可分的关系,理论研究无法分析这些条件，仅靠理论研究不能全面地掌握中部槽的磨损特性，而试验研究则可以弥补这一缺陷。由于刮板输送机体积庞大,且工作环境十分恶劣，直接在其表面进行试验研究难度较大，可执行性不高，因此，许多学者通过磨损试验机进行中部槽磨损试验，从输运条件和煤散料性质2 个角度模拟中部槽工况条件进行磨损特性的研究。通过磨损试验机控制接触压力、滑动速度和煤散料流速等输运条件，模拟中部槽真实的运行工况，李平辉等2 4使用ML-130E型橡胶轮磨损试验机，通过控制橡胶轮转速（对应中部槽滑动速度）、磨料流速和试验时长，对槽帮材料进行磨损试验并观察磨损后的形态，发现表面出现许多截面宽、深度大的磨痕,并伴随着一些微犁沟与微切削区域。Shi 等2 5 使用 MLS-225 型半自由磨损试验机进行多组磨损试验，模拟不同的接触压力和滑动速度，研究中部槽在不同工况条件下的磨损机制，绘制磨损机制分布图，如图2 所示。由图可知，随着接触压力和滑动速度的增加，中部槽的磨损量也随之增加。2.22.0(,s.u)/1.81.61.41.20.003除了输运条件,中部槽磨损还与煤岩散料性质有关。Xia等2 6 使用ML-100C 型磨粒磨损试验机，设计不同参数（泊松比、剪切模量和密度）的煤散料磨损试验，结果表明，中部槽的磨损受到煤散料性质的影响,磨损量随着3种参数的增加而增加,剪切模量对磨损量的影响最显著,其次是泊松比,密度影响最小。Li 等2 7 使用MFT-4000 型往复式磨损试验机,研究不同介质下刮板输送机中部槽的摩擦和磨损，结果表明，煤的种类对中部槽的磨损有影响。相同条件下，当无烟煤作为介质时，对中部槽的磨损最为严重，当褐煤作为介质时,对中部槽的磨损最小，只能看到轻微的磨损，磨损程度随着煤散料粒度的增加而增加。李博，等：刮板输送机中部槽的磨损特性及其耐磨优化研究现状黏着磨损轻度磨损区磨粒磨损0.004图2 磨损机制分布图Fig.2Wear mechanism distribution diagram3重度磨损区疲劳磨损中度磨损区黏着磨损腐蚀磨损0.005接触压力/MPa磨蚀磨损0.0060.0074中部槽输运条件和煤岩散料性质对磨损都有着至关重要的影响，二者结合才能模拟中部槽真实运行工况条件，如Xia 等2 8-2 9使用ML-100C 型磨粒磨损试验机，结合Plackett-Burman试验设计和跟踪煤颗粒在磨损过程中位置变化等方法，研究了中部槽在不同的煤散料特性（哈氏可磨指数（H G I）、粒度、含水率、含研率）和输运条件（法向载荷、刮板链速)的磨损情况，结果表明，中部槽磨损质量随着含水率、法向载荷、含率和粒度的增加而增加,呈现出正效应，随着HGI和刮板链速的增加而降低,呈现出负效应,6 种参数的影响显著性排序如图3所示。李博等30 为了探索煤岩散料特性和中部槽输运条件中影响磨损的显著性因素，基于响应面法设计了多组磨损试验,结果表明,法向载荷、含水率和含率对磨损有显著影响；得到了含水率与含研率、含水率与磨损行程2 组交互作用项对磨损的影响结果,如图4、5所示。由图分析可知,含水率对中部槽磨损的影响最明显,与其他因素交互作用时，磨损影响更为显著。0.300.250.200.150.100.05煤散料含率/%70煤散料含水率/%(a)响应面图图4煤散料含水率和含研率对磨损质量的影响Fig.4 Impact to wear amount between water content and gangue content磨损质量/g200.300.253/0.200.150.100.052016.128煤散料含水率/%4(a)响应面图图5煤散料含水率和磨损行程对磨损质量的影响Fig.5 Impact to wear amount between water content and wear distance中国粉体技术6.005.004.003.002.001.000图36 种参数影响显著性排序Fig.3 Impact significance rank of six parameters磨损质量/g282520631048121620行程/m第2 9卷AA含水率B含碎率CHGID粒度E法相载荷EF刮板链速B正效应C负效应FD12排序0.050.100.15701612804015002.500(b)等高线图348煤散料含水率/%(b)等高线图0.200.150.100.050.0535004.500行程/m40.20121650005206第6 期1.3仿真分析中部槽磨损特性的研究涉及到的因素与变量众多,仅依靠试验研究无法将因素考虑全面且所耗资金和时间成本较高，而模拟仿真研究则为中部槽磨损特性的研究提供便利。离散元法对于研究描述零部件、煤岩散料相互作用过程中颗粒的运动过程和受力状态等具有一定优势31-32，近几年，国内外学者使用离散元法解决矿山机械装备领域诸多问题取得了较好的效果。离散元软件（EDEM）可以设定如图6所示的颗粒形状、颗粒参数和接触模型，在模拟散料性质方面有独特的优势，应用于中部槽磨损特性的研究可以真实地模拟煤散料的各种特性。李博，等：刮板输送机中部槽的磨损特性及其耐磨优化研究现状扁平状类锥状类块状5颗粒形状模拟真实煤颗粒形状泊松比颗粒参数密度剪切模量模拟真实煤颗粒参数模拟颗粒与颗粒接触Hert-Mindlin(no slip)接触模型Hert-MindlinwithJKRHert-Mindin withArchard Wear图6 EDEM设定颗粒特性Fig.6Setting up bulk properties in EDEM相关学者使用EDEM 软件进行了中部槽的仿真研究。Xia 等3建立了中部槽和煤散料相互作用模型,研究中部槽在不同工况和煤散料特性下的磨损情况,结果表明,中部槽在落煤点附近的区域磨损最严重，离落煤点越远，运煤过程越平缓，磨损深度越小。Yao等34使用EDEM软件分析中部槽磨损情况，结合正交矩阵分析方法，获得了不同水平条件下煤散料粒度、刮板链间距和不同方向倾角3种因素对中部槽的磨损深度,其中煤散料粒度对中部槽磨损的影响最大,其次是刮板链间距，中部槽倾角的影响最小。李康等35在EDEM软件中分析不同结构形式（链间距和刮板距离）和煤散料参数（种类和粒径)对中部槽的磨损影响,结果表明，随着链间距、刮板距离和煤散料粒径的增加，中部槽磨损深度呈现出逐渐加深的趋势，在不同种类的煤块中,无烟煤对磨损的影响最大。EDEM软件在模拟煤散料特性方面发挥了巨大优势，中部槽磨损特性的研究更加方便，但中部槽的磨损不仅涉及到煤散料造成的磨损，还涉及到中部槽部件之间相互摩擦产生的磨损，例如槽帮-煤散料-刮板之间的三体磨损。在面对磨损研究中的刚体接触时,EDEM软件不具备机械系统动力学分析功能，无法模拟中部槽零部件之间复杂的相互作用过程，因此需借助多体动力学软件实现刚体（中部槽）和散料(煤岩散料)的耦合分析36,如图7 所示，才能真实模拟中部槽工况特点。目前学者们耦合研究使用最多的是EDEM软件和RecurDyn软件，如李博等37 使用EDEM和RecurDyn建立中部槽刚散耦合作用模型，对中部槽输运状态和不同工况条件下的中板磨损进行了研究，刮板链下方的中板区域磨损量远大于其他区域的磨损量；中部槽磨损量随负载和煤散料含研率的增加而增加;煤散料在中部槽输运过程中存在大颗粒在上、小颗粒在下的现象，即“巴西果效应”，如图8 所示。赵保林等38 使用模拟含湿颗粒接触模拟颗粒与几何体接触6EDEM和RecurDyn 耦合分析了磨损后的中板状态，观察磨损形貌，发现中板表面呈现出较为明显的犁沟、细长或水滴状的金属黏着块。Ma等39使用EDEM和RecurDyn建立了中部槽耦合模型耦合，根据中板的磨损形态对中部槽进行磨损分析,发现中板上存在间歇性和条状磨损区域，如图9所示。中间的2个磨损严重区域位于刮板和双排链条的正下方，侧面磨损严重区域位于刮板的正下方，中板在不同位置的磨损程度差异很大。EDEM中国粉体技术第2 9卷RECURDYN煤散料受力与运动固定副转动副接触副专F中部槽刚体受力与运动Wall文件部分固定副离散元颗粒模型多体动力学刚体模型图7 耦合仿真Fig.7Coupling simulation局部上层ZX下层02.24.4质量/g6.68.811.0局部b放人图8 不同质量的煤散料分布Fig.8Different quality coal bulk distributionZX磨损量/mm3.3910211.00105Fig.9Wear area of middle plate2.00105图9中板磨损区域3.001054.001055.00105第6 期李博，等：刮板输送机中部槽的磨损特性及其耐磨优化研究现状72中部槽的耐磨优化2.1 耐磨材料制作中部槽的材料以合金钢ZG30MnSi和碳锰钢16 Mn为主；但由于其强度、韧性以及耐磨性较差，导致过煤量和输运效率处于较低水平，因此难以满足现代煤矿开采对刮板输送机的要求。直接研究中部槽整体材料消耗较大，经济成本较高,因此将耐磨材料应用于磨损相对严重的中板和槽帮部件，成为学者们研究的重要方向。对于中板磨损，Ge等40 研制了新型中锰奥氏体钢并应用于中板材料，在中板表面形成厚度为1mm的硬化层，磨损量降低了30%。Chai 等41对比了一种新型的高钛低合金耐磨钢（ZM4-13）和一种典型耐磨钢（NM400)的耐磨性，发现在ZM4-13钢表面形成一个高硬度的沉淀区域，阻碍了煤颗粒的犁削和塑性变形，经试验测定ZM4-13钢的耐磨性是NM400钢的1.1 2.1倍，ZM4-13钢更适用于刮板输送机中部槽的耐磨材料。董志斌等42 研究16 Mn、耐磨钢（NM360、NM 40 0、NM 450、NM 50 0、Hardox400)6种中板材料的耐磨性能，结果表明,NM500材料的耐磨性能最好,用于中部槽材料可以最高程度地实现减磨的目的。对于槽帮磨损，徐海峰等43研发了价格低廉且制造难度低的新型耐磨合金钢（ZG30MnSiMoRe）用于槽帮，经实验测定其使用寿命提高1倍以上，显著提高了中部槽耐磨性能。宋建峰等44通过合金元素和热处理工艺相结合，制成高强度高耐磨性能的合金钢（TNZ系列）用于槽帮，解决了传统槽帮强度低、耐磨性差等问题,延长了槽帮使用寿命。通过调整中部槽原材料中的元素配方比例，改善材料的耐磨性能，如通方煤机在槽帮材料中添加适当的Cu、C r 和稀土合金元素并改变各元素配比，中部槽的磨损情况得到改善，耐磨性能提升了近30%45。朱瑾等4研究了新型不同Ti 元素含量的耐磨钢的耐磨性能,并通过实验加以验证,结果表明，中部槽的磨损量随着Ti元素含量的增加而降低，在已有的耐磨钢材料中适当添加Ti元素，可以提高其耐磨性。Li等47 制备了不同Gr含量的Fe-Ni基复合材料用于刮板输送机中部槽材料,发现其耐磨性能约为16 Mn钢耐磨性能2 倍,且当Gr质量分数为3%时,中部槽的耐磨性能最佳。2.2表面强化技术表面强化技术主要通过各种强化工艺来增强材料的硬度和耐磨性等48,应用于中部槽修复场合，对于提高中部槽耐磨性和使用寿命具有重要意义。常用的中部槽表面强化技术包括堆焊技术、等离子熔覆技术和激光熔覆技术，经表面强化处理后的中部槽如图10 所示。(a)堆焊2.2.1堆焊技术堆焊技术是一种金属制造加工技术，通过将金属材料在高温下融化，堆积在中部槽磨损严重的区域,形成较厚的金属层,从而提高中部槽的耐磨性能49。应鹏展等50 通过磨损试验对3种耐磨焊条进行对比研究，发现中板耐磨焊层由马氏体、奥氏体和碳化物组合而成，中板硬度和耐磨性均有提高,堆焊焊条(Cr-W-B-Nb)耐磨性最好。张小风等51通过使用新型焊条对中板进行菱形花纹焊道堆焊,发现(b)等离子熔覆图10 处理后的刮板输送机中部槽Fig.10Strengthening line pane(c)激光熔覆8经耐磨堆焊后的中部槽机械稳定性得到加强，耐磨性和使用寿命得到提高。刘朝阳等52 通过堆焊条纹法设计了中板试样，并通过摩擦磨损试验与光滑中板试样进行对比，结果表明堆焊条纹中板磨损大部分集中在条纹凸体上，耐磨性能远远高于光滑中板试样。2.2.2等离子熔覆技术等离子熔覆技术通过将金属粉末在高温等离子体环境中迅速融化，在中部槽表面形成一层致密均匀的涂层，从而提高耐磨性能53。Yang等54采用等离子熔覆技术在耐磨钢（Hardox450)表面生成了具有抗摩擦作用的熔覆层，摩擦系数和磨损率均低于原材料，并且不随载荷和滑动速度的变化而变化，有效提高了中部槽的硬度和耐磨性能。Li 等用Fe-Cr-B-Si基合金粉末通过等离子熔覆技术在NM450型钢材表面制备涂层研究其摩擦磨损性能，发现在涂层中形成了大量的高强度马氏体，比原材料的硬度更高,摩擦磨损性能更好,应用于中部槽能够大幅度提高其耐磨性能。刘鸣放等56 使用等离子熔覆设备，在中部槽表面生成熔覆层，磨损试验表明随着熔覆层中硼元素含量的增加，稳定性和耐磨性呈现先上升后下降的趋势；当硼元素质量分数为4.5%时，熔覆层稳定性最强，耐磨性为原材料的5.4倍；井下实验表明，生成熔覆层的中部槽使用寿命可延长2 3倍。2.2.3激光熔覆技术激光熔覆技术是一种高精度激光加工技术，将高能激光束对中部槽进行加热处理，使覆盖在表面的金属物质迅速融化并附着在表面形成金属涂层,提高中部槽的耐磨性能57。激光熔覆技术具有高效、高精度和破坏力小等特点,加工技术方面十分方便。Guo 等58 研究热处理激光熔覆铁基合金的摩擦磨损性能，发现经处理后的刮板输送机磨损量降低了近34%，耐磨性显著提高。潘兴东等59针对中板磨损，利用激光熔覆提升中板性能，通过试验验证中板在激光熔覆后，整体磨损性能显著提高，中部槽寿命得到延长。曹青等6 0 使用自行设计的WC 颗粒增强镍基合金粉末，利用激光熔覆技术在矿用刮板运输机中部槽上成功制备了Ni50-WC涂层。相比于传统材料，使用WC粉末制备出的熔覆涂层耐磨性能更优异，中部槽使用寿命更长久。2.3结构改进结构改进通常包括曲线优化和尺寸调整等方法。中部槽体积在整个刮板输送机中占比最大，其重量占据了近7 0%，整体上进行结构改进难度较大，因此部分学者将槽帮、中板等易发生磨损的部位作为研究出发点，以期望通过结构改进方法降低中部槽磨损。相关研究表明,通过结构改进方法降低中部槽磨损,效果显著，如对于槽帮的改进，刘俊等6 1 在原有结构的基础上进行曲线优化，将上边沿的直线型结构优化为带有弧形的结构，将上边沿最下端的直角状优化为向外凸三角状，将下边沿在原有基础上向下倾斜一定角度，如图11所示；将2 种槽帮结构进行耦合仿真研究，获得了如图12 所示的煤料、刮板对2 种槽帮的作用力变化曲线，分析发现新型槽帮所受作用力均小于原结构槽帮,有利于延缓槽帮磨损。对于中板的改进，胡万飞等6 2 通过调整中板尤其是刮板链下方磨损严重区域的厚度，改善了中板磨损情况，磨损现象明显减轻。为了降低中板磨损，有中国粉体技术第2 9卷槽帮上边沿槽帮下边沿向下倾斜(a)原有槽帮Fig.11 Curve optimization of groove(b)新型槽帮图11槽帮曲线优化第6 期李博，等：刮板输送机中部槽的磨损特性及其耐磨优化研究现状9满载100008000600040002.0000（a）煤料对原槽帮的作用力200000160000N/田1200008000040.0000（c）刮板对原槽帮的作用力厂家在基础中板部件上方加装由耐磨合金制成的可更换中板层，原中板不被破坏，耐磨性能明显提升6 3。除了槽帮和中板，针对两节中部槽相连接的地方，Feng等6 4通过增加哑铃销销身长度和哑铃销两端直径对中部槽进行结构改进,结果表明，增加哑铃销两端直径的方法比增加哑铃销销身长度更有效，但2 种方法同时使用的话，耐磨效果更好。2.4仿生设计仿生学是一门利用从自然界生物体获得的知识解决实际工程问题的科学6 5,诸多研究将仿生技术应用于复杂机械设备的减摩耐磨领域。如图13所示，刮板输送机中部槽的研究引进仿生耐磨技术,对提高其耐磨性有明显的效果,如Li 等6 6 基于仿生非光滑耐磨理论,采用四因素三水平正交试验对中板进行仿生设计,并与仿真结果进行比较，发现仿生凹坑结构能够缓解煤散料对其表面的摩擦与冲击作用,使中板受力情况得到改善，,提高了中板的耐磨性能。王学文等6 7 借助仿生非光滑理论,在中板表面设计出仿生凹坑型结构，将最优耐磨参数组合下的仿生结构与光滑结构对比，结果表明，凹坑型仿生结构减磨效率达到2 4.8 1%,可以有效地减少中部槽的磨损，具有良好的耐磨性能。李娟莉等6 8 以扇贝壳为原型设计了仿生条纹型中板，通过单因素法和响应面法对仿生结构进行磨损试验，结果表明仿生条纹型结构有效提高了中板的耐磨性能，相比于光滑中板，磨损量减少了7 8.54%。3中部槽研究展望3.1磨损特性研究局限性分析及展望目前刮板输送机中部槽的磨损特性研究已经从磨损形式、磨损原因、影响磨损的因素等方面取得了大量的研究成果，在一定程度上揭示了摩擦磨损机理，为中部槽的耐磨优化以及刮板输送机的改进设计提供了理论依据,然而这些研究还停留在磨损表面阶段和定性研究,对于磨损变化的本质、变化的内在过程及趋势等研究相对较少。磨损的定量研究，即根据磨损机制演变相应的理论公式进行磨损规律研究,如张丹等6 9根据黏着磨损而演变出的Archard磨损计算公式,通过建立磨损数学模型研究采煤机60004500满载N/田动30001500012时间/s123时间/s图12 槽帮所受作用力曲线图Fig.12Force curvediagram一34满载455661（b）煤料对新型槽帮的作用力100000800006000040000200000（d）刮板对新型槽帮的作用力2时间/s12时间/s34345满载56610行走轮齿的磨损特性，根据获得的磨损深度、滑动距离等数据分析磨损情况。中部槽磨损特性的研究，还有望在非线性理论方法中寻求新的研究思路,如王平等7 0 基于PSO混合算法，在模拟试验机上优化反向传播（back-paopagation）网络对火车钢轨进行磨损量拟合。杨俊叶等7 1构建卷积神经网络（CNN），结合粒子群算法(PSO)对刮板输送机中部槽进行磨损预测并对结果进行评估寻优。可见，对于磨损因素之间的复杂关系,通过非线性理论方法为中部槽磨损特性的研究提供了一种可行的方法。内外研究结合、定性研究与定量研究结合才能全面地认识摩擦磨损机理，从而更好地推动中部槽耐磨优化研究。C-凹坑直径/mmD-凹坑深度/mm0.6DG-横向间距/mm0.51-纵向间距/mm摩擦接触区F-角度/()0.40.30.20.1(a)仿生结构提取中国粉体技术深度/mm0.7第2 9卷3.7A-AA180(b)仿生凹坑设计0.03光滑中板凹坑中板0.020.01380.01280.009.7320.0100.010.02660.020.01330.0101(c)仿生试样设计(d)对比试验验证图13仿生结构设计Fig.13Bionic design3.2耐磨优化研究局限性分析及展望中部槽磨损特性研究的意义在于为其耐磨优化提供理论支持，减轻磨损现象，延长中部槽使用寿命。当前，中部槽在提升耐磨性方面的研究有大幅度提升。根据已有的研究成果，使用新型耐磨材料和表面强化技术减少了中部槽的磨损，但2 种方法需要耗费的资金巨大，从一定程度上增加了刮板输送机的制造成本，如何降低所需投入的物力财力等也是不可忽视的问题。结构改进和仿生设计2 种方法虽然在中部槽减磨方面效果明显，但已有的研究都建立在实验室条件和简化中部槽模型的基础上，相关技术还不够成熟，真实耐磨性能有待证实，因此将这2 种方法尽快投入真实刮板输送机制造生产以及应用于真实煤矿井下进行试验，才能使中部槽的耐磨性能有质的提升。除上述4种方法，摩擦副的研究给中部槽减磨耐磨研究提供了一种新的的思路，如王其良等7 2 以矿用刮板输送机液黏离合器中的摩擦副为研究对象开展相关研究；孙少妮等7 3通过表面织构技术改善刮板输送机多组摩擦副的可靠性和耐磨性。现阶段对于中部槽磨损特性以及耐磨优化的研究，多以槽帮、中板等单一部件为研究对象,较少从多个部件组成的摩擦副（如槽帮-煤岩散料-刮板)间相互作用出发进行三体间的磨损研究，因此这也是今后中部槽磨损研究的一个重要方向。2试验号平均值总值第6 期4结论1）阐述了刮板输送机中部槽磨损特性研究和耐磨优化研究的发展历程。从理论研究、试验研究和仿真分析3种研究方法角度综述了在磨损形式、磨损原因、磨损形貌、磨损区域等方面以及输运条件和煤散料特性结合、离散元方法和多体动力学方法结合的磨损特性研究现状。2)介绍了耐磨材料、表面强化技术、结构改进和仿生设计4种中部槽耐磨优化方法及其研究现状。对中部槽磨损特性和耐磨优化研究现状进行了总结,分析了研究中存在的局限性和不足之处。3)对中部槽研究进行展望,指出磨损特性研究的下一步方向为磨损内在本质的研究、磨损定量的研究，提出用非线性理论方法进行中部槽磨损量拟合、磨损预测等新的研究思路；指出耐磨优化研究的下一步方向为节约成本，将耐磨技术尽快应用于刮板输送机生产实际中，提出从中部槽摩擦副之间的相互作用为出发点进行磨损特性和耐磨优化的研究。参考文献(References):1 WU G,QIAO F K,FANG X Q,et al.Straightness perception mechanism of scraper conveyor based on the three-dimension-al curvature sensing of FBGJ.Applied Sciences,2023,13(6):3619-3632.2YANG J J,FU S C,WANG D.Dynamic simulation of startup-characteristics of scraper conveyor based AMEsim C/2015IEEE International Conference on Mechatronics and Automation.2015,Beijing,China,2015:369-374.3WANG X W,LI B,WANG S W,et al.The transporting efficiency and mechanical behavior analysis of scraper conveyorJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2017,232(18):3315-3324.4JCAO L M,ZENG Q L,CUI J,et al.Development of hydraulic security shearing machine for the annulus chain used in coalmine CJ/Advanced Materials Research.International Conference on Material Engineering,Chemistry,Bioinformatics.Wuhan,China,2011;371-374.5MAO J,YANG Z Y,LU J N.Research on signal analysis and diagnosis of chain drive system of the scraper conveyor guidedby artificial intelligence algorithmJ.Optik,2022,271:107149.6YAN X D,ZHOU G B,HAN L F,et al.Posture monitoring method of scraper conveyor based on adaptive extended kalmanfilterC/2022 International Conference on Sensing,Measurement&Data Analytics in the era of Artificial Intelligence(ICSMD).Harbin,China,2022:1-6.7ZHANG P L,LI B,WANG X W,et al.The loading characteristics