李娟莉 劉朝陽(yáng) 李 博 麻豪洲 趙保林

1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原，0300242.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原，030024

0 引言

刮板輸送機(jī)是一種將撓性刮板鏈條作為牽引機(jī)構(gòu)的連續(xù)輸送機(jī)械，是綜合機(jī)械化采煤工作面的關(guān)鍵設(shè)備，中部槽是其重要組成部分[1-2]。中部槽長(zhǎng)期受到刮板、鏈條與煤散料的混合摩擦作用，極易磨損失效，從而引起刮板輸送機(jī)的運(yùn)行故障，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此，提高中部槽的耐磨性至關(guān)重要。

目前常用的改善中部槽耐磨性的方法主要有：使用新型耐磨材料、改進(jìn)中板制造工藝和采用表面處理技術(shù)等。葛世榮等[3]研究了熱軋中錳耐磨鋼和馬氏體耐磨鋼的沖擊磨損性能，結(jié)果表明熱軋中錳耐磨鋼可顯著降低中部槽磨損，大幅度延長(zhǎng)刮板輸送機(jī)運(yùn)行壽命；朱瑾等[4]對(duì)不同Ti含量的耐磨鋼進(jìn)行了混合磨料磨損試驗(yàn)，并與耐磨鋼Hardox450作了對(duì)比研究，結(jié)果表明新型含Ti耐磨鋼的耐磨性可達(dá)Hardox450耐磨性的1.3倍；文獻(xiàn)[5-8]研究表明等離子熔覆中部槽的顯微硬度和耐磨性顯著提高。隨著摩擦學(xué)和仿生學(xué)的發(fā)展，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，生物體表的非光滑結(jié)構(gòu)能夠很好地改善耐磨性能，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想和工作原理，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9-12]。

常見(jiàn)的非光滑仿生結(jié)構(gòu)有凹坑型(蜣螂背板)、凸包型(蜣螂頭部)、條紋型(扇貝殼、穿山甲鱗片)和鱗片型(鯊魚體表)等。CHEN等[13]對(duì)凸包型及肋條型生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)和磨料磨損試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最優(yōu)仿生結(jié)構(gòu)表面對(duì)磨料磨損及侵蝕磨損均有一定的緩解效果；榮寶軍[14]分別設(shè)計(jì)了凸包、棱紋、臺(tái)階及鱗片型非光滑表面，并進(jìn)行了土壤磨料磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明非光滑試樣表面相比光滑試樣表面磨損較輕；孫藝文等[15]在泥漿泵活塞工作表面加工不同尺寸的凹槽型仿生單元體，結(jié)果表明，凹槽型仿生泥漿泵活塞壽命延長(zhǎng)了69.52%；吳波等[16]研究發(fā)現(xiàn)條紋型仿生活塞比標(biāo)準(zhǔn)活塞疲勞壽命平均延長(zhǎng)了8.8%，磨損量平均減小了90%；熙鵬等[17]研究表明，相較于標(biāo)準(zhǔn)磨輥，條紋型仿生磨輥的耐磨性可提高72.1%。刮板和煤散料與中部槽的相互作用類似于扇貝殼與泥沙的相互作用，都屬于物體與顆粒物的摩擦問(wèn)題，因此本文在中板試樣上設(shè)計(jì)仿生條紋型結(jié)構(gòu)，研究仿生中板的耐磨性并得出其最優(yōu)耐磨結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為中部槽的耐磨優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

響應(yīng)面法是解決多變量問(wèn)題的一種統(tǒng)計(jì)方法，相比于正交試驗(yàn)和全因子試驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)分析法，具有次數(shù)少、時(shí)間短、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)[18]。為了尋求耐磨仿生的最優(yōu)工藝參數(shù)，本文利用單因素優(yōu)化和響應(yīng)面試驗(yàn)法進(jìn)行條紋型仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，建立平均磨損深度與各因素的二次多項(xiàng)式回歸預(yù)測(cè)模型，并對(duì)其進(jìn)行方差分析，探索影響條紋中板耐磨性的顯著性因素順序及各因素間的交互作用規(guī)律，最后通過(guò)真實(shí)試驗(yàn)確定參數(shù)的有效性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法分析

礦用刮板輸送機(jī)在輸送煤炭過(guò)程中，中板和槽幫的磨損多為三體磨損，即由于煤顆粒夾在刮板及中板或者槽幫之間對(duì)金屬表面產(chǎn)生的磨損[19]。中部槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中部槽結(jié)構(gòu)Fig.1 Middle trough structure

刮板輸送機(jī)體積龐大，試驗(yàn)運(yùn)行成本過(guò)高，直接在中板上研究耐磨仿生參數(shù)不符合實(shí)際情況，因此本研究根據(jù)其工作原理設(shè)計(jì)了如圖2a所示的改進(jìn)銷盤式ML-100型磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)[20]。由于影響仿生條紋型結(jié)構(gòu)耐磨性的參數(shù)較多，本研究需要進(jìn)行多次單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)，且需要通過(guò)觀察細(xì)觀磨損形貌來(lái)分析耐磨仿生機(jī)理，所以本研究采用與實(shí)物模型等比例的仿真模型進(jìn)行耐磨仿生參數(shù)的探究，仿真模型如圖2b所示。磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)的工作方式為回轉(zhuǎn)式，下試樣(中板)需制成圓心角為60°的扇形結(jié)構(gòu)，材料為16Mn，如圖2c所示；上試樣刀具(刮板)設(shè)計(jì)成與刮板相似的斜切結(jié)構(gòu)，如圖2d所示，材料為與刮板材料相一致的42CrMo；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為料槽，料槽順時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)煤料，如圖2e所示。上試樣在機(jī)架上可實(shí)現(xiàn)垂直于中板的振動(dòng)但不可以轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以形成上試樣、煤料、下試樣的三體磨粒磨損。

(a) 實(shí)物圖 (b) 仿真模型 (c) 中板試樣

(d) 斜切結(jié)構(gòu) (e) 機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖圖2 磨粒磨損機(jī)Fig.2 Abrasive wear machine

1.2 EDEM-RecurDyn耦合仿真

條紋型中板是基于扇貝殼結(jié)構(gòu)特征而設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)具有正余弦函數(shù)特性，給加工帶來(lái)了較大的難度，且中板制備會(huì)消耗大量時(shí)間，因此本文利用離散元(EDEM 2018)與動(dòng)力學(xué)(RecurDyn V9R1)耦合的方式模擬中板磨損過(guò)程，探究條紋型中板耐磨仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)。離散元與動(dòng)力學(xué)耦合模型及相關(guān)參數(shù)的可靠性已得到同課題組成員的驗(yàn)證[21]。

1.2.1EDEM離散元參數(shù)設(shè)置

(1)顆粒模型。散料中顆粒的形狀對(duì)顆粒間的相互作用有顯著影響[22]，因此EDEM中建立的顆粒模型應(yīng)盡可能逼近真實(shí)顆粒的形狀。考慮到煤顆粒形狀的不確定性和復(fù)雜性，本研究以典型煤塊為模擬對(duì)象，選擇十球填充顆粒模型，如圖3所示。以顆粒工廠隨機(jī)產(chǎn)生顆粒，質(zhì)量700 g，粒徑范圍6～8 mm。

(a) 煤顆粒模型 (b) 典型煤顆粒圖3 煤顆粒模型與典型煤顆粒Fig.3 Coal particle model and typical coal particle

(2)EDEM接觸模型選擇及參數(shù)設(shè)置。顆粒間的接觸模型選擇Hertz-Mindlin(no slip)無(wú)滑動(dòng)接觸模型，顆粒與幾何體接觸模型選擇Hertz-Mindlin with Archard Wear磨損模型。煤與幾何體的本征參數(shù)及接觸屬性參數(shù)參考文獻(xiàn)[23-24]，如表1、表2所示。中板與煤料的磨損常數(shù)設(shè)置為1.2×10-12m2/N，時(shí)間步長(zhǎng)為22%，仿真時(shí)長(zhǎng)為1.32 s(顆粒生成時(shí)間0.5 s，料槽旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.82 s)。

表1 煤和鋼的本征參數(shù)Tab.1 Intrinsic parameters of coal and steel

表2 接觸參數(shù)Tab.2 Contact parameters

1.2.2RecurDyn動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)置

機(jī)架設(shè)置為固定于地面的固定副；上試樣夾具與機(jī)架之間分別設(shè)置移動(dòng)副(控制上試樣上下跳動(dòng))和接觸副(控制上下跳動(dòng)的滑動(dòng)摩擦因數(shù))，接觸副的接觸方式為體-體接觸；六塊扇形中板試樣設(shè)置為固定于料槽的固定副；上試樣與下試樣設(shè)置接觸副；料槽設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)特性由step函數(shù)控制step(0.5，0，0.5，5.91)；所有接觸副的滑動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15，其余選擇默認(rèn)設(shè)置。

1.3 仿生中板設(shè)計(jì)

逆向造型技術(shù)對(duì)重構(gòu)空間實(shí)體幾何具有較好的效果[25-27]。本研究利用逆向造型技術(shù)提取扇貝殼及穿山甲鱗片表面的幾何結(jié)構(gòu)。具體步驟如下。

(1)通過(guò)CPC三維掃描儀掃描扇貝殼及穿山甲鱗片標(biāo)本。

(2)利用GeomagicStudio2013軟件對(duì)掃描得到的點(diǎn)云進(jìn)行拼接、清除雜點(diǎn)和合并處理，如圖4、圖5所示。

(a) 正視圖 (b) 側(cè)視圖圖4 扇貝殼點(diǎn)云處理結(jié)果Fig.4 Scallop shell point cloud process results

(a) 正視圖 (b) 后視圖圖5 穿山甲鱗片點(diǎn)云處理結(jié)果Fig.5 Pangolin scale point cloud process results

(3)沿圖6所示方向，利用Imageware13.2軟件對(duì)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行特征提取，將提取后的特征點(diǎn)云保存為“.dxf”格式并導(dǎo)入CAD2018中。利用MOVE及ID命令確定幾何點(diǎn)端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，得到各點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值。

(a) 扇貝殼特征結(jié)構(gòu)取向 (b) 穿山甲鱗片特征結(jié)構(gòu)取向圖6 特征結(jié)構(gòu)取向Fig.6 Feature structure extraction direction

(4)將CAD生成的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB R2018b中，并對(duì)其進(jìn)行三角函數(shù)擬合，得到圖7所示的點(diǎn)云擬合曲線(W為所測(cè)樣本的點(diǎn)云寬度坐標(biāo)，H為所測(cè)樣本的點(diǎn)云高度坐標(biāo))，方程、方程系數(shù)及評(píng)價(jià)值如表3所示。

(a) 穿山甲鱗片結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

(b) 扇貝殼結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型圖7 穿山甲鱗片與扇貝殼結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型Fig.7 Mathematical model of pangolin scales and scallop shell structure

表3 穿山甲鱗片與扇貝殼方程擬合系數(shù)Tab.3 Fitting coefficient of pangolin scale

由圖7可知，扇貝殼及穿山甲鱗片表面幾何結(jié)構(gòu)呈正余弦函數(shù)形式，且兩者函數(shù)二分之一周期(條紋寬度)與函數(shù)峰值(條紋高度)比值分別為3.4和3.9，即兩者的正余弦條紋都呈扁平狀。本研究在中板表面設(shè)計(jì)并排布具有正余弦函數(shù)特征的條紋凸體，并將條紋寬高比r、條紋寬度W及條紋節(jié)距L作為反映條紋結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)[28-30]。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖8。

1.4 仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.4.1單因素優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)

以平均磨損深度為響應(yīng)值，分別研究條紋寬高比、條紋寬度及條紋節(jié)距對(duì)條紋型仿生板耐磨性的影響規(guī)律。通過(guò)單因素法初步優(yōu)化影響因素的計(jì)算域，進(jìn)而為響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)提供合理的取值范圍，提高優(yōu)化質(zhì)量。

(1)條紋寬高比r。扇貝殼與穿山甲鱗片條紋寬高比分別為3.4與3.9，可知兩者條紋都較扁平。寬高比取5水平并將3.4與3.9包含在內(nèi)，如表4所示。

(2)條紋寬度W。由圖8可知，上試樣、散料與下試樣的接觸寬度約為20 mm，摩擦接觸區(qū)至少有兩列條紋排布，此時(shí)條紋最寬，因此條紋寬度小于10 mm，選取5水平，如表4所示。

(3)條紋節(jié)距L。上試樣、散料與下試樣的接觸寬度為20 mm，條紋最大節(jié)距小于20 mm，選取5水平，如表4所示。

表4 單因素優(yōu)化設(shè)計(jì)水平Tab.4 Optimization design level of single factor

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以平均磨損深度為響應(yīng)值，采用Box-Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，各因素分別取高水平(1)、中心點(diǎn)(0)與低水平(-1)3個(gè)水平，各因素水平取值編碼如表5所示。

表5 響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)水平Tab.5 Optimization design level of response surface

2 結(jié)果分析

2.1 單因素優(yōu)化結(jié)果分析

單因素優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9a可知，隨著寬高比的增大，仿生板的平均磨損深度總體呈下降趨勢(shì)。寬高比過(guò)小，條紋凸體變得很尖，上試樣刀具與條紋凸體的接觸面積過(guò)小，不利于減小磨損；寬高比過(guò)大時(shí)，條紋凸體變得很扁，與上試樣刀具的接觸面積過(guò)大，在一定程度上，上試樣刀具與條紋凸體間的空隙減小，不利于形成空氣膜，減磨效果不顯著，因而根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，寬高比取4.75為響應(yīng)面法設(shè)計(jì)的0值。

由圖9b可知，在條紋寬度范圍內(nèi)仿生板的平均磨損深度先減小后增大，在寬度為0.5～1.75 mm內(nèi)平均磨損深度急劇減小，當(dāng)寬度大于1.75 mm時(shí)平均磨損深度增大。寬度直接影響上試樣刀具與條紋凸體的接觸面積及外觀形貌，寬度過(guò)大，上試樣刀具與條紋凸體間的空隙減小，不利于形成空氣膜，無(wú)法減小磨損；寬度過(guò)小，在寬高比一定的情況下，高度變得很低，上試樣刀具與條紋凸體間的空隙依然很小，減小磨損效果不顯著，因而條紋寬度不宜過(guò)大也不宜過(guò)小。綜上分析，寬度取1.75 mm為響應(yīng)面法設(shè)計(jì)的0值。

(a) 寬高比r

(b) 寬度W/mm

(c) 節(jié)距 L/mm圖9 條紋中板單因素磨損結(jié)果Fig.9 Results of single factor wear in striations

由圖9c可知，在條紋節(jié)距水平范圍內(nèi)，隨著節(jié)距的增大，總體平均磨損深度呈增大趨勢(shì)。節(jié)距越大，與上試樣刀具接觸的條紋凸體越少，形成的空氣膜越少，減小磨損效果越差；但過(guò)小的節(jié)距會(huì)導(dǎo)致接觸面積增大，分流作用降低，磨損增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)節(jié)距為1.75 mm和6 mm時(shí)平均磨損深度均較小，為下一步響應(yīng)面法優(yōu)化水平設(shè)計(jì)方便，取節(jié)距為6 mm為響應(yīng)面法設(shè)計(jì)的0值。

2.2 響應(yīng)面法結(jié)果分析

2.2.1Box-Behnken設(shè)計(jì)及回歸模型

Box-Behnken Design(BBD)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果如表6所示。依據(jù)仿真結(jié)果利用Design-Expert12.0軟件對(duì)BBD試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)回歸，獲得以平均磨損深度Y為響應(yīng)值，寬高比r、寬度W、節(jié)距L為自變量的三元二次回歸方程，如下所示：

Y=3.819 80×10-6-8.216 51×10-7r-

1.479 57×10-6W-1.365 25×10-7L+

8.402 50×10-8rW+1.18615×10-8rL+

5.980 77×10-9WL+6.010 79×10-8r2+

2.835 20×10-7W2+5.291 87×10-9L2

表6 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.6 Box-Behnken experimental design and results

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表7所示。由表7可得，回歸模型的P值小于0.0001，表明多項(xiàng)式回歸預(yù)測(cè)模型描述平均磨損深度與各因素的關(guān)系極顯著；失擬項(xiàng)的P值為0.5554>0.05，表明多項(xiàng)式模型擬合較好，誤差較??；決定系數(shù)R2=0.9955，接近1，說(shuō)明擬合方程可靠度較高。

表7 回歸方程方差分析Tab.7 ANOVA of regression equation

綜上所述，該方程可以用來(lái)預(yù)測(cè)仿生板的平均磨損深度。在顯著性水平α=0.05的水平上，r、W、L、rW、rL、R2對(duì)平均磨損深度影響顯著，表明各影響因素之間成二次關(guān)系，且影響顯著性由大到小依次為W、r、L。分析其原因發(fā)現(xiàn)，條紋凸體寬高比對(duì)凸體的形貌構(gòu)成有很大影響，外觀形貌較扁時(shí)(寬高比和寬度較大)，上試樣刀具與條紋凸體間的空隙較小，難以形成空氣膜，減小磨損效果不顯著；外觀形貌較尖時(shí)，上試樣刀具對(duì)下試樣的切割作用增大，不利于減小磨損。此外，在寬高比一定的條件下，寬度也會(huì)影響外觀形貌，從而影響磨損。而在試驗(yàn)條件下，最大與最小節(jié)距所形成的條紋凸體與上試樣刀具接觸的數(shù)量差較小，對(duì)磨損的影響略低于條紋寬高比與寬度的影響。

對(duì)照組(不加藥)在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)PC3細(xì)胞的凋亡作用差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；雷公藤內(nèi)脂醇的濃度為10、20、40 nmol/L時(shí)，培養(yǎng)PC3細(xì)胞12 h、24 h、48 h后對(duì)PC3細(xì)胞的凋亡作用差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表2。

2.2.2回歸模型交互效應(yīng)分析

三維響應(yīng)面可表示平均磨損深度與仿生結(jié)構(gòu)各因素的函數(shù)關(guān)系及規(guī)律趨勢(shì)，由圖10可以得到仿生板的最優(yōu)耐磨結(jié)構(gòu)參數(shù)。由圖10可知，各因素交互作用的響應(yīng)曲面都呈反拋物線，即都有極小值點(diǎn)，可得到平均磨損深度取最小值時(shí)各因素值的取值范圍。當(dāng)各因素值取較大值時(shí)，平均磨損深度隨各因素值的增大而增大，當(dāng)各因素值取較小值時(shí)，平均磨損深度隨各因素值的減小而增大；但在每個(gè)交互作用中，因素值取較小值時(shí)平均磨損深度增大的速率較大。

等高線的形狀可反映交互項(xiàng)對(duì)響應(yīng)值(即平均磨損深度)的影響顯著性，通常橢圓形比圓形的影響顯著性更明顯，且橢圓的長(zhǎng)短軸之比越大影響顯著性越高。由圖10可得，條紋寬高比與條紋寬度交互作用相較于寬高比與節(jié)距交互作用、節(jié)距與寬度的交互作用更顯著。

(a) 條紋寬高比與寬度 (b) 條紋寬高比與節(jié)距 (c) 條紋寬度與節(jié)距圖10 各因素交互作用圖Fig.10 Interaction diagram of the factors

3 驗(yàn)證與對(duì)比試驗(yàn)

3.1 最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)預(yù)測(cè)與驗(yàn)證

以平均磨損深度為響應(yīng)值，在特定條件下仿真優(yōu)化得到條紋中板的最優(yōu)耐磨結(jié)構(gòu)參數(shù)為r=4.94，W=1.81 mm，L=6.33 mm。將最優(yōu)參數(shù)下的條紋仿生中板與光滑中板進(jìn)行重復(fù)仿真對(duì)比，如表8所示。由表8可知，條紋中板的平均磨損深度均值較光滑中板減小2.28×10-8mm，磨損深度減小約94.6%。

表8 條紋型中板與光滑中板對(duì)比Tab.8 Comparison of striated middle plate and slide plate mm

3.2 對(duì)比試驗(yàn)

采用改進(jìn)銷盤式ML-100型磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，將加工好的最優(yōu)耐磨參數(shù)組合下的條紋中板(圖11)與光滑中板交替排布。試驗(yàn)采用700 g陜西省榆林市神木縣長(zhǎng)焰煤，粒徑選擇6～8 mm，設(shè)置磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為56 r/min(即線速度0.65 m/s)，載荷20 N，時(shí)長(zhǎng)660 min，煤料為干煤料，環(huán)境溫度為常溫25 ℃，空氣濕度60%。

圖11 仿生條紋中板試樣Fig.11 Bionic striated middle plate sample

試驗(yàn)前用600目砂紙打磨中板試樣表面，確保表面粗糙度一致。試驗(yàn)后用無(wú)水乙醇清理中板試樣表面的煤粉以減小誤差。

采用萬(wàn)分之一天平(FA3204B)對(duì)試驗(yàn)前后的3塊中板試樣重復(fù)稱量3次，得到平均值并求出試驗(yàn)前后的質(zhì)量差來(lái)衡量磨損程度，如圖12所示，可知試驗(yàn)結(jié)果中仿生條紋板比于光滑板磨損質(zhì)量減小了約78.54%。

圖12 中板對(duì)比試驗(yàn)質(zhì)量差Fig.12 Mass differences of middle plate comparison tests

對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果中仿生中板比光滑中板平均磨損值減小約94.6%，試驗(yàn)結(jié)果中仿生中板比光滑中板磨損量減小約78.54%。定義仿真值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為誤差率η，結(jié)合仿真與試驗(yàn)平均磨損深度的減小率求得η為20.45%，誤差較大，但仿真試驗(yàn)處在理想環(huán)境，仿真時(shí)間較短，且在仿真中未考慮煤炭的破碎，因而存在局限性，而與光滑中板磨損的對(duì)比結(jié)果說(shuō)明仿生條紋型中板的最優(yōu)耐磨參數(shù)是有效的，可以為仿生中板的研制提供參考。

4 條紋型仿生中板耐磨機(jī)理

刮板與煤粒的卡滯及煤料對(duì)中板表面的正壓力是導(dǎo)致中板磨損嚴(yán)重的重要原因，因此研究上試樣(刮板)的阻力及下試樣(中板)表面的顆粒壓力十分必要。仿生板與光滑板采用圖13所示的間隔方式排布，為了提高仿真速度，仿生板與光滑板分別布置兩塊。下試樣、上試樣與煤顆粒三體磨損的時(shí)間段分別為：仿生板0.58～0.76 s、0.94～1.12 s，光滑板0.76～0.94 s、1.12～1.3 s，因此只分析0.58～1.3 s之間的仿真數(shù)據(jù)。從RecurDyn軟件后處理的耦合模塊中導(dǎo)出上試樣的合力值與阻力值(圖14)和煤顆粒對(duì)下試樣表面法向壓力值(圖15)。

圖13 條紋中板布置方式Fig.13 The arrangement of the striated plate

圖14 上試樣受力 Fig.14 Force applied to the up sample

由圖14可得，仿生條紋中板的上試樣阻力的波動(dòng)頻率和波動(dòng)幅度都較小，上試樣所受顆粒的合力與阻力規(guī)律類似。條紋中板與光滑中板在同一環(huán)境下運(yùn)行，條紋中板表面的上試樣平均阻力(94.3 N)小于光滑中板表面的上試樣平均阻力(107.4 N)。由圖15可得，顆粒對(duì)光滑中板表面法向壓力(簡(jiǎn)稱壓力)的波動(dòng)頻率大于顆粒對(duì)條紋中板的壓力波動(dòng)頻率。顆粒對(duì)條紋中板壓力最大值(1200.1 N)小于顆粒對(duì)光滑中板壓力最大值(1684.2 N)。分析原因發(fā)現(xiàn)，上試樣刀具的楔形結(jié)構(gòu)與下試樣形成一定的夾角，極易發(fā)生煤料卡滯。當(dāng)煤料在上試樣與下試樣之間時(shí)，隨著料槽轉(zhuǎn)動(dòng)，上試樣與下試樣對(duì)煤粒的擠壓力逐漸增大，且煤顆粒持續(xù)切削下試樣表面，因此光滑中板表面受到的顆粒壓力及上試樣受到的阻力較大。而條紋中板由于條紋凸體的存在，對(duì)煤散料的流動(dòng)具有分流和導(dǎo)向作用，在煤散料與上試樣和條紋中板發(fā)生卡滯前，條紋傾斜表面可將顆粒對(duì)條紋表面的作用力分解，使煤顆粒發(fā)生滑動(dòng)，因此煤散料不易在上試樣和條紋中板之間卡滯。

圖15 中板顆粒壓力Fig.15 Middle plate particle pressure

從EDEM軟件的后處理模塊Archard Wear模型中得到圖16所示條紋中板與光滑中板在同一運(yùn)行環(huán)境下的磨損云圖，圖中紅色表示磨損較嚴(yán)重的地方(犁溝)。由圖16可得，光滑中板表面存在連續(xù)切削的磨痕，條紋間的光滑區(qū)域出現(xiàn)少量斷續(xù)的磨痕且磨痕較細(xì)，說(shuō)明該處發(fā)生的磨損較輕。條紋中板的磨痕主要發(fā)生在條紋表面，且由于料槽的旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生了離心力導(dǎo)致條紋處的磨痕集中在條紋內(nèi)側(cè)，即煤散料主要與條紋內(nèi)側(cè)發(fā)生接觸磨損。

(a) 光滑中板磨損云圖

(b) 條紋中板磨損云圖圖16 中板磨損云圖Fig.16 Middle plate wear cloud map

作用在條紋表面上的總摩擦力FT=FA+FB，其中，F(xiàn)A是作用在中板表面平坦部分上的摩擦力，F(xiàn)B是作用在中板條紋凸體上的摩擦力。令SD表示煤顆粒與條紋中板在滑動(dòng)方向上的距離，SH表示條紋凸體的高度，SR表示煤顆粒的特征尺寸(有效直徑)。當(dāng)SD遠(yuǎn)大于SR時(shí)，截取某個(gè)時(shí)間段內(nèi)顆粒流向，如圖17所示，在0.6～0.65 s這一時(shí)間段，顆粒的運(yùn)動(dòng)方向在刮板附近發(fā)生了改變。刮板試樣推動(dòng)煤散料向前運(yùn)動(dòng)，因而阻力較大，基于能量最小原理，粒子流的流動(dòng)應(yīng)選擇阻力最小的路徑，所以煤顆粒有向兩邊運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但由于刮板試樣的推動(dòng)，因而會(huì)向前運(yùn)動(dòng)一段距離，進(jìn)而產(chǎn)生磨損。條紋凸體由于其形狀、尺寸和布置而引導(dǎo)煤散料流動(dòng)，在滑動(dòng)的煤顆粒遇到條紋中板的凸起處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，因而凸起位置的磨損將大于平坦位置的磨損。在這種情況下，條紋中板的磨損由突起的磨損決定。但是，如果條紋中板的凸起在形狀和尺寸上得到合理設(shè)計(jì)，則與光滑表面相比，F(xiàn)T可以減小，并且相應(yīng)地，條紋凸體的磨粒磨損將減少，尤其是條紋凸體使用耐磨耐腐蝕材料。因此，條紋凸體對(duì)煤散料流動(dòng)的分流和導(dǎo)向作用緩解了中板表面的受力，使磨損深度減小。

(a) t=0.6 s (b) t=0.65 s圖17 顆粒流向圖Fig.17 Particle flow diagram

5 結(jié)論

(1)本文利用逆向造型技術(shù)提取扇貝殼及穿山甲鱗片表面的幾何結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)扇貝殼及穿山甲鱗片表面幾何結(jié)構(gòu)呈正余弦函數(shù)形式，且兩者函數(shù)二分之一周期(條紋寬度)與函數(shù)峰值(條紋高度)比值分別為3.4和3.9，即二者正余弦條紋都呈扁平狀。

(2)通過(guò)單因素法和響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)，以磨損深度為響應(yīng)值，對(duì)仿生條紋型中板的寬高比、寬度和節(jié)距進(jìn)行了探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：顯著性影響由大到小依次為寬度、寬高比、節(jié)距，條紋寬高比與條紋寬度交互作用最為顯著。在試驗(yàn)條件下，當(dāng)寬高比為4.94、寬度為1.81 mm、節(jié)距為6.33 mm時(shí)磨損深度最小。

(3)對(duì)最優(yōu)耐磨參數(shù)下的條紋中板與光滑中板的耐磨性進(jìn)行仿真和試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)組合下的條紋中板具有良好的耐磨性能，與光滑中板相比，磨損質(zhì)量減小了78.54%。仿真中未考慮煤炭的破碎和含水，在今后的工作中，可將此部分完善，使結(jié)果更精確。

(4)分析仿生條紋型中板的耐磨機(jī)理發(fā)現(xiàn)，由于條紋凸體的存在，條紋中板對(duì)煤散料的流動(dòng)具有分流和導(dǎo)向作用，緩解了中板表面的受力和上試樣的受力，從而減少了磨損。