刮板输送机中部槽的有限元分析及其结构优化.pdf

176/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备0 引言刮板输送机是煤矿工作面中非常重要的机电装备，重要作用是对采煤机开采得到的煤炭物料进行收集运输，同时还要为采煤机提供轨道支撑1。随着人们对煤炭资源需求量的不断提升，我国煤矿开采效率越来越高。刮板输送机作为重要的煤炭开采设备，对其各项性能要求越来越高，尤其是机械性能方面的要求，正朝着大型化和重型化方向发展2。中部槽是刮板输送机中的承力结构件，运输煤炭物料时产生的重力都会作用在中部槽结构上，所以工作时需要承受较大载荷，对中部槽结构力学性能提出了较高要求3。但是利用传统设计方法对中部槽进行设计时存在一定缺陷，导致中部槽在运行时容易出现应力集中问题4。本文利用有限元方法对刮板输送机中部槽结构进行静力学分析，在此基础上对其结构进行优化改进，取得了良好的效果。1 刮板输送机及中部槽概述在综采工作面中刮板输送机主要起到收集以及转运煤矿物料的作用，其工作效率会直接影响煤矿开采效率。如图 1 所示为刮板输送机的主要结构示意图，可以看出输送机在机械结构方面主要包括机头、链条、刮板、中部槽、驱动链轮、挡煤板等。以煤矿中使用的 SGB880/800 型刮板输送机为对象进行分析，该设备的整体长度为 250m，共由两部功率分别为 400kW 的电机进行驱动，输送能力达到 1500t/h。链条的规格为 30mm126mm，链条之间的间距为 160mm。中部槽是刮板输送机中非常重要的机械结构件，属于设备的机身机构，其规格尺寸为 1500mm880mm330mm，主要是槽帮和中板等结构通过焊接方式加工而成。设备运行时，输送的煤矿物料重量直接作用在中部槽上，对结构产生摩擦磨损以及挤压作用，所以中部槽会承受比较大的载荷，导致中部槽容易出现各类故障问题。工程应用时，中部槽是故障率相对较高，使用寿命比较短的结构。因此，有必要对中部槽的结构进行优化改进，旨在延长其使用寿命，为刮板输送机的长时间稳定运行奠定坚实的基础。2 中部槽有限元模型建立2.1 三维模型建立进行有限元分析时，首先需要利用三维软件建立中部槽的三维几何模型，使用 Pro/E 软件建立三维模型。建模尺寸严格按照中部槽结构的实际尺寸执行，考虑到模型中的部分细小结构，例如倒角、倒圆、小孔等，会刮板输送机中部槽的有限元分析及其结构优化连晓明（山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西忻州 036700）摘要：中部槽结构作为刮板输送机中的重要承力结构件，必须具备足够的力学性能。利用 Pro/E 和 Abaqus 软件建立了中部槽的有限元模型，进行静力学分析，发现最大应力主要集中在槽帮肋板下部区域，是导致该部位容易出现断裂问题的重要原因，与实际情况相吻合。以肋板厚度、铲煤板厚度及长度为优化对象，利用 Abaqus 软件开展优化改进工作，在降低整体重量的同时，使得中部槽的应力集中最大值降低了11.27%，显著提升了中部槽的综合性能，为故障率的降低和使用寿命的提升创造了良好条件。关键词：刮板输送机；中部槽；有限元分析；结构优化图1 刮板输送机的结构示意图2023.8 矿业装备/177程中虽然会承受较大载荷，但不是所有部位的应力都高，应力分布整体上呈现出明显的不均匀性，大部分位置的应力相对较小，只有局部位置出现了较大的应力，即出现了一定的应力集中现象。集中应力较大的部位主要分布在槽帮肋板区域，最大应力值为 276MPa。3.2 存在的问题ZG30MnSi 材料的屈服强度大约为 500MPa，与中部槽承受的最大应力对比可以发现，最大应力比屈服强度要低很多。但是中部槽结构工作时需要做循环往复运动，其承受的作用力为周期性载荷，意味着槽帮肋板附近区域的应力集中现象也呈现出周期性变化特点。这种工况条件下，即便肋板附近的应力集中最大值比屈服强度低，但经过长时间运行后，该部位还是容易出现疲劳损伤，最终面临失效的问题。实际生产中，中部槽槽帮肋板下部区域是故障率相对较高的位置，主要故障形式为开裂。本文研究结果与实际情况基本吻合，肋板附近的应力集中现象是导致其故障率高的重要原因之一。基于此，需要对槽帮结构进行优化改进，以降低肋板附近的应力集中现象，从而改善结构件的疲劳性能，降低故障率，提升使用寿命。4 中部槽结构优化研究4.1 优化方案考虑到应力集中现象主要分布在槽帮肋板附近，因此选用了三个对该部位受力情况影响较大的结构参数作为优化目标，三个参数分别为肋板厚度、铲煤板厚度以及铲煤板长度，结构参数的原始数据分别为 30mm、74mm和 210mm。开展优化改进工作时，除优化对象外，还需要有约束条件和优化目标，以上称为优化三要素。优化目标为槽帮肋板附近最大应力最小。约束条件分为两类，分别为边界约束和性能约束。为了缩短模型对模型计算过程及结果精度产生一定影响。因此，对这些细小结构进行省略处理。已有研究表明，这种处理方式不会对计算结果精度产生显著影响，反而会加速模型计算速度5。2.2 有限元模型建立将建好的三维几何模型通过 STL 中间格式导入Abaqus 软件中进行有限元模型建立，材料属性设置和网格单元划分是重要环节，会对计算过程及结果精度产生影响6。2.2.1 材料设置刮板输送机中部槽结构的加工材料为 ZG30MnSi。此材料的弹性模量和泊松比分别为 206GPa 和 0.29，密度大小为 7800kg/m3，将以上材料参数输入模型中，确保模型的静力学分析结果能真实的反映中部槽的受力情况。2.2.2 网格单元划分Abaqus 软件提供了丰富的单元类型，选用不同单元可能会影响计算过程及结果精度。结合实际情况，本研究使用的是六面体网格类型。网格尺寸是关键参数，网格尺寸太大虽然能加快模型计算速度但会影响结果的精度，过小则会延缓计算速度，所以需要在速度与精度之间找到平衡点。网格单元尺寸由软件综合考虑计算时间和结果精度进行自动设置，划分得到的网格单元数量为 15394 个，节点数量为 18326 个，兼顾了模型的计算速度和结果精度。如图 2 所示为中部槽结构的有限元模型，可以看出，采用的是不均匀网格划分形式。完成模型基本设置后，可以调用 Abaqus 软件计算程序对模型进行分析计算。3 中部槽有限元分析结果3.1 结果分析根据建立的有限元模型完成分析计算工作后，可以利用 Abaqus 软件的后处理程序提取计算结果。本研究主要关注中部槽结构的受力情况，提取了中部槽的应力分布云图，结果如图 3 所示。由图可知，中部槽工作过图3 刮板输送机中部槽的应力分布云图图2 中部槽结构的有限元模型178/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备计算时间，分别对三个结构参数设置了边界约束，肋板厚度、铲煤板厚度和长度的取值范围分别为 2634mm、5494mm、200240mm，优化时在上述取值范围内每间隔1mm 进行取值。性能约束条件为优化后的结构重量不得超过优化前的重量。利用 Abaqus 软件开展优化改进工作，基本过程是利用 Pro/E 和 Abaqus 软件建立有限元模型，所有模型的三个结构尺寸存在差异，其他参数完全相同，然后对不同模型的结果进行对比，得到最优结果。4.2 优化结果利用 Abaqus 软件完成结构参数的优化改进工作后，得到最优结果，如图 4 所示为刮板输送机中部槽结构优化前后的技术参数对比情况。由图中数据曲线可知，肋板厚度、铲煤板厚度及长度优化后的数值分别为 32mm、57mm 和 235mm。肋板厚度和铲煤板厚度与初始值相比较，分别增加了 2mm 和 25mm，铲煤板厚度与初始值相比较降低了 17mm。中部槽重量方面，结构优化改进前其重量为 554.4kg，优化后虽然有两个结构参数有多增加，但是产煤板厚度变薄，其整体重量降低到了 531.1kg，通过优化使得中部槽的重量降低了 4.2%。材料成本是机械结构件加工成本中的重要构成部分，通过降低材料的使用量，能在一定程度上压缩中部槽的加工成本。设备质量降低能在一定程度上减小设备运行时的能耗，达到节能降耗的效果，为企业节省运营成本。中部槽受力方面，槽帮肋板附近应力集中最大值在优化前为 276MPa，通过对肋板附近的结构参数调整，使得最大应力降低到了 244.9MPa，与优化前相比较降低幅度为11.27%。应力集中是影响金属材料疲劳性能的重要因素之一，对于承受周期性载荷的材料，其损坏现象往往首先出现在应力集中部位，因为该部位最容易出现属性损伤。此次结构优化改进降低肋板附近的最大应力值，能大幅度提升中部槽结构的疲劳性能，降低使用时的故障率，延长其使用寿命，可以为煤矿企业创造良好的安全效益和经济效益。4.3 新中部槽的应用分析将优化后的新中部槽结构应用到 SGB880/800 型刮板输送机中，安装完成以后进行初步调试，确保能够正常使用后正式投入运用。截至目前，新中部槽结构在工程中的使用时间已经有两年左右。通过工程应用发现中部槽的结构优化方案达到了预期效果，结构优化改进以前，当运输的煤矿物料重量达到 1500 万 t 时，基本达到了报废条件，难以正常稳定使用。对中部槽结构进行优化改进后，其使用寿命可以达到 2000 万 t。说明通过结构改进使得中部槽的寿命在原有基础上提升了 25%左右。不仅能为煤矿企业节省大量的设备维护保养成本，更重要的是提升了综采工作面主要开采装备的稳定运行时间，为煤矿开采效率的提升创造了更好的条件。5 结束语以 SGB880/800 型刮板输送机中部槽结构为研究对象，运用 Abaqus 软件对结构进行了优化设计。所得结论主要有：通过有限元分析发现中部槽槽帮部位肋板附近出现了明显的应力集中现象，这是导致该部位容易出现断裂问题的重要原因之一，与实际情况基本吻合。以肋板附近区域的三个结构参数为优化对象，利用 Abaqus 软件开展优化改进工作，使得中部槽结构重量降低了 4.2%，最大应力降低到了 244.9MPa，降低幅度 11.27%，最大应力的降低显著改善了中部槽结构的疲劳性能，可降低结构件的故障率，延长其使用寿命，安全效益和经济效益显著。参考文献1 王鹏,邢海龙,高武孝.高链速刮板输送机关键技术研究J.煤矿机械,2022,43(8):91-93.2 冯帅.刮板输送机用盘式永磁电机J.设备管理与维修,2022(13):146-147.3 夏永虎.刮板输送机中部槽断面的设计J.煤,2022,31(8):59-62.4 徐浩.刮板输送机中部槽参数优化研究 J.机械管理开发,2022,37(4):107-108.5 胡瑾.基于 ANSYSWorkbench 刮板输送机中部槽的结构分析 J.机械工程师,2021(10):119-121.6 范伟源,王温栋.基于有限元法的刮板输送机中部槽结构优化与应用 J.能源与环保,2021,43(9):219-223.图4 中部槽结构优化前后的技术参数对比