張 丹，周子楊

黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150022

中國(guó) 90% 以上的煤礦生產(chǎn)作業(yè)是在地下進(jìn)行，生產(chǎn)設(shè)備面臨工作環(huán)境惡劣、工況條件苛刻、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、潤(rùn)滑條件差等難題，因此，由關(guān)鍵零部件磨損造成設(shè)備磨損失效的現(xiàn)象極其嚴(yán)重[1]。在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中，中部槽會(huì)受到嚴(yán)重磨損，由此引發(fā)的設(shè)備故障和安全事故時(shí)有發(fā)生，給維修及保養(yǎng)帶來(lái)極大困難，經(jīng)濟(jì)成本消耗巨大[2-3]，因此中部槽的抗磨性能對(duì)刮板輸送機(jī)在工作面的可靠性和使用壽命有著直接影響[4-5]。

中部槽作為刮板輸送機(jī)的核心部件，在運(yùn)輸過程中承受來(lái)自煤、矸石、刮板鏈及刮板的劇烈摩擦。我國(guó)煤礦開采的煤矸石產(chǎn)率在 5%～ 10% 之間，洗煤廠洗原煤的含矸率在 18%～ 20% 之間[6]，由于煤與矸石在硬度、抵抗沖擊破碎的能力上存在較大差異，含矸率決定了中部槽磨損的劇烈程度[7]。近年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)中部槽磨損進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩的研究成果。當(dāng)刮板推送前進(jìn)時(shí)，僅由煤巖顆粒與中板形成的磨損為兩體磨粒磨損；當(dāng)散料作為磨粒介質(zhì)進(jìn)入刮板、刮板鏈與中部槽等相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件之間時(shí)，形成的磨損為三體磨粒磨損[8]。有學(xué)者研究了含矸率、含水率、煤散料粒徑、刮板鏈速度、法向載荷等多因素對(duì)中部槽的磨損影響，彌補(bǔ)了中部槽摩擦學(xué)在磨損理論分析中的不足[9]，這對(duì)中部槽磨損分析有所幫助；另外在考慮不同煤種的影響下，應(yīng)用離散元法分析煤散料運(yùn)輸狀態(tài)，是分析中部槽磨損的重要過程[10]；也有研究表明，鏈輪參數(shù)、刮板材質(zhì)均是影響中板磨損的因素[11]。

前人對(duì)中部槽磨損研究已較為深入，但對(duì)于中部槽磨損的相關(guān)研究，一般僅將煤顆粒自身物理特性作為主要磨損因素，且僅進(jìn)行了定性分析，缺少結(jié)合不同因素下數(shù)值模擬技術(shù)的定量分析。

1 刮板輸送機(jī)中部槽中板磨損模型

Archard 磨損理論是基于刮板輸送機(jī)中部槽中板表面與煤散料相接處時(shí)，接觸表面有多個(gè)表面微凸體接觸作用的假設(shè)[12]，從微觀層面分析中板產(chǎn)生的磨損可應(yīng)用累計(jì)方法，將推煤工作分為多個(gè)工作周期，與仿真相結(jié)合預(yù)測(cè)元件磨損量。接觸應(yīng)力與相對(duì)滑移距離對(duì)中板磨損體積的影響表示為

式中：V為中板磨損體積，mm3；K為接觸磨損常數(shù)，mm2/N；W為中板所受平均法向載荷，N；H為中板表面硬度；s為磨粒的滑移行程，mm。

磨粒磨損的簡(jiǎn)化模型如圖1 所示。

圖1 磨粒磨損模型Fig.1 Model of abrasive wear

將中板表面存在的硬質(zhì)凸起煤磨?；蛘邊⑴c磨損的其他硬質(zhì)顆粒看作圓錐體，當(dāng)磨粒受到法向載荷W時(shí)，硬質(zhì)磨粒的一部分會(huì)鑲嵌到中板的接觸表面；當(dāng)磨粒與中板接觸表面產(chǎn)生滑移行程s時(shí)，中板的接觸表面形成微觀切削效果[9]。建立簡(jiǎn)化磨損模型為

式中：r為磨粒圓錐體底面半徑，mm；x為壓痕深度，mm。

由上述模型可知：中板的磨損體積與中板所受的法向載荷W、磨粒的滑移行程s成正比，與中板材料的硬度、磨粒圓錐錐角成反比。此磨損模型與Archard 磨損模型中各因素造成的影響趨勢(shì)相符。假設(shè)在中板磨損面的任意節(jié)點(diǎn)q處，K在每次磨損中呈現(xiàn)出的性質(zhì)相同，中板所受法向載荷W為煤顆粒與矸石自重，在此種工況下發(fā)生了第 ΔN次磨損后，磨損總體積表示為

式中：Vq,n為磨粒在中板節(jié)點(diǎn)q處所產(chǎn)生n次增量步的磨損總體積，mm3；Vq,n-1為磨粒在中板節(jié)點(diǎn)q處所產(chǎn)生n-1 次增量步的磨損總體積，mm3；Wq,n為磨粒在中板節(jié)點(diǎn)q處第n次增量步的法向載荷，N；Δsq,n為磨粒在中板節(jié)點(diǎn)q處第n次增量步的相對(duì)滑移增量，mm。

2 基于 EDEM 的刮板輸送機(jī)中部槽中板磨損仿真

2.1 刮板輸送機(jī)中部槽三維模型參數(shù)

以SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)作為研究對(duì)象，表1 所列為 SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)的基本配置。

表1 SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of SGZ630/220 scraper conveyor

該型號(hào)刮板輸送機(jī)的中板材料為 NM400，泊松比為 0.3，材料密度為 7 910 kg/m3，屈服強(qiáng)度約為 738 MPa。中部槽的結(jié)構(gòu)主要包括中板、底板、槽幫等[13]。參照 SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)建立三維模型，在 SolidWorks 中建立其簡(jiǎn)化模型。圖2 所示為 SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)中部槽三維模型，圖3所示為 SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)中部槽簡(jiǎn)化三維模型。由于 EDEM 中網(wǎng)格較為稀疏，無(wú)法觀測(cè)到中板的磨損分布，通過 Ansys Mesh 劃分更加細(xì)致的網(wǎng)格，得到刮板輸送機(jī)中部槽簡(jiǎn)化三維模型的有限元模型 (見圖4)，圖5 為輸送機(jī)中板平面的三維有限元模型局部放大圖。對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽網(wǎng)格模型進(jìn)行賦值，將模型中的刮板與中部槽視為各向同性材料，均采用表2 所列的 NM400，其密度為 7 910 kg/m3，彈性模量為 7 100 MPa，泊松比為 0.3。

表2 NM400 的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of NM400 %

圖2 SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)中部槽三維模型Fig.2 3D model of middle groove of SGZ630/220 scraper conveyor

圖3 SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)中部槽簡(jiǎn)化三維模型Fig.3 Simplified 3D model of middle groove of SGZ630/220 scraper conveyor

圖4 刮板輸送機(jī)中部槽有限元模型Fig.4 Finite element model of middle groove of scraper conveyor

圖5 有限元模型局部放大Fig.5 Partial enlargement of finite element model

2.2 矸石顆粒、煤顆粒的三維模型

煤顆粒的物理特性對(duì)中部槽的磨損有著重要影響。生成的顆粒尺寸過大，會(huì)導(dǎo)致顆粒生成失敗的次數(shù)變多，難以生產(chǎn)有效顆粒數(shù)。從仿真設(shè)備的尺寸大小考慮，并查閱相關(guān)文獻(xiàn) [14-16]，不同開采條件下原煤粒徑分布有差異，考慮到仿真中各顆粒的粒徑能接近真實(shí)，確定煤散料顆粒粒徑范圍為 20～ 45 mm，并利用篩網(wǎng)篩分出煤顆粒的大顆粒 (粒徑為 40～ 45 mm)、中顆粒 (粒徑為 25～ 40 mm) 和小顆粒 (粒徑為 20～ 25 mm)；同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)方案[16]參考，得到矸石顆粒粒徑級(jí)配的大顆粒 (粒徑為 15～ 20 mm)、中顆粒 (粒徑為 10～ 15 mm) 和小顆粒 (粒徑為 0～ 10 mm)。針對(duì)煤巖顆粒的實(shí)際形態(tài)特征建立煤巖三維模型。圖6 所示為矸石顆?；A(chǔ)模型，粒徑約為 12 mm，泊松比為 0.35，剪切模量為 500 MPa，密度為2 600 kg/m3。圖7 所示為煤顆粒基礎(chǔ)模型，粒徑約為5 mm，泊松比為 0.33，剪切模量為 470 MPa，密度為1 500 kg/m3。

圖6 矸石顆粒模型Fig.6 Model of gangue particle

圖7 煤顆粒模型Fig.7 Model of coal particle

SGZ630/220 型刮板輸送機(jī)的額定輸送量為 97.22 kg/s。參考試驗(yàn)研究基礎(chǔ)[17]，將煤顆粒生成速度設(shè)置為 90 kg/s，刮板推送的方向設(shè)定為x正方向，與x方向水平垂直且與x軸正方向逆時(shí)針夾角為 90°的方向?yàn)閥正方向，豎直方向?yàn)閦正方向。煤顆粒的初速度在x方向?yàn)?1 m/s、y方向?yàn)?0 m/s、z方向?yàn)?-0.2 m/s，仿真時(shí)間約為 3 s，磨損常數(shù)為 1.0×10-12mm2/N。在仿真中將煤與煤之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)置為 0.5，靜摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.6，滾動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.05；將煤與中板之間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)置為 0.5，靜摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.4，滾動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)置為 0.05。

2.3 刮板輸送機(jī)中部槽中板磨損仿真結(jié)果

中板仿真結(jié)束后所呈現(xiàn)的磨損量可表述為：?jiǎn)挝惑w積的磨損量與單位面積之比，即磨損深度。根據(jù)上述仿真參數(shù)，模擬中部槽磨損仿真試驗(yàn)，可將刮板輸送機(jī)的工作過程分為 3 個(gè)階段。

第1 階段為落煤階段：0～ 0.24 s 時(shí)，為落煤還未接觸中板階段 (見圖8)，圖9 所示為該階段中板的磨損云圖，中板磨損云圖上未見灰色外其他顏色，因此中板未產(chǎn)生磨損；0.24～ 1.00 s 時(shí)，為煤顆粒掉落后接觸到中板階段，此時(shí)落煤在中板上形成堆積角 (見圖10)，圖11 所示為該階段中板的磨損云圖，中板磨損云圖右側(cè)有白色沖擊點(diǎn)，煤顆粒對(duì)中板右側(cè)產(chǎn)生輕微的沖擊磨損。

圖8 0.24 s 時(shí)顆粒生成模擬Fig.8 Simulation of particle generation at 0.24 s

圖9 0.24 s 時(shí)中板的磨損云圖Fig.9 Wear contour of middle plate at 0.24 s

圖10 1.00 s 時(shí)顆粒生成模擬Fig.10 Simulation of particle generation at 1.00 s

圖11 1.00 s 時(shí)中板的磨損云圖Fig.11 Wear contour of middle plate at 1.00 s

第 2 階段為初始運(yùn)輸階段：1.00 s 后刮板開始工作，如圖12 所示，此時(shí)煤料堆積最嚴(yán)重，煤顆粒與中板接觸面積最小，圖13 所示為該階段中板的磨損云圖，刮板從中板右側(cè)開始推送煤料，右側(cè)產(chǎn)生了較為明顯的摩擦痕跡，圖13 中白色區(qū)域?yàn)槟p較嚴(yán)重部位。刮板通過單塊中板用時(shí)約為 1.42 s，1.00～ 2.40 s 刮板開始作業(yè)，中板產(chǎn)生摩擦磨損。

圖12 2.04 s 時(shí)顆粒生成模擬Fig.12 Simulation of particle generation at 2.04 s

圖13 2.04 s 時(shí)中板的磨損云圖Fig.13 Wear contour of middle plate at 2.04 s

第3 階段為穩(wěn)定運(yùn)輸階段：2.40 s 后刮板運(yùn)輸逐步穩(wěn)定，該階段模擬效果如圖14 所示，圖15 所示為該階段中板的磨損云圖，此時(shí)鏈道下方區(qū)域由于刮板鏈夾雜著煤料的摩擦，白色區(qū)域更為突出，磨損更嚴(yán)重。當(dāng)刮板輸送機(jī)運(yùn)行至 2.62 s 時(shí)，中板的平均磨損達(dá)到 4.28×10-6mm，平均磨損深度增大趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)。圖16 所示為中板平均磨損深度曲線。

圖14 2.45 s 時(shí)顆粒生成模擬Fig.14 Simulation of particle generation at 2.45 s

圖15 2.45 s 時(shí)中板的磨損云圖Fig.15 Wear contour of middle plate at 2.45 s

圖16 中板平均磨損深度曲線Fig.16 Curve of average wear depth of middle plate

3 個(gè)階段結(jié)束后，中板磨損云圖如圖17 所示，鏈道下方較其他部位磨損更加嚴(yán)重，證明中板、刮板鏈以及煤顆粒之間形成的三體磨損會(huì)對(duì)中板整體磨損有著較大影響，這與實(shí)際工況下中部槽中板磨損最嚴(yán)重的部位所在情況較為符合。參考試驗(yàn)研究基礎(chǔ)[18]，經(jīng)推算在模擬試驗(yàn)過后產(chǎn)生磨損深度約為 4.38×10-6mm，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，可作為參考依據(jù)。由于煤渣會(huì)滯留在磨損槽中進(jìn)一步形成三體磨損，從而擴(kuò)大磨損深度，加大磨損體積，使中板的使用壽命大幅度縮減，經(jīng)式 (3) 推算可得，5 個(gè)月后，中板的平均磨損深度約為 33.41 mm，中板的過煤量約為 78.72 萬(wàn) t。

圖17 中板磨損云圖Fig.17 Wear contour of middle plate

3 不同因素下中板磨損分析

3.1 單一因素對(duì)中板磨損深度影響分析

對(duì)煤顆粒硬度、含矸率、煤顆粒粒徑三者進(jìn)行六等水平劃分，讓刮板輸送機(jī)在多參數(shù)下進(jìn)行仿真，得到刮板輸送機(jī)中部槽中板在三因素、六等差水平下的平均磨損深度，并得出中板磨損影響三因素的權(quán)重。

3.1.1 煤顆粒硬度對(duì)中板磨損的影響

由式 (1) 可知，磨損常數(shù)K會(huì)影響磨損體積，磨損常數(shù)通常與煤的物理性質(zhì)相關(guān)，在理論計(jì)算上，磨損常數(shù)K能體現(xiàn)煤顆粒硬度，磨損常數(shù)通常在 0.8×10-12～ 4.0×10-12mm2/N 之間[19]，分別取1.0×10-12～ 3.5×10-12mm2/N，等差為 0.5×10-12mm2/N的 6 組參數(shù)，得到平均磨損深度分別為 3.82×10-6、9.36×10-6、1.64×10-5、2.34×10-5、4.06×10-5、5.66×10-5mm。各磨損常數(shù)下中板產(chǎn)生的平均磨損深度曲線如圖18 所示。由圖18 可知，中板平均磨損深度與煤顆粒硬度成正比，同組仿真中，磨損常數(shù)由 1.0×10-12mm2/N 增大到 3.5×10-12mm2/N，中板的平均磨損深度增大了約 14 倍，隨著磨損常數(shù)持續(xù)增大，中板平均磨損深度增大幅度逐漸平穩(wěn)。結(jié)果表明，被開采煤的物理特性不同，對(duì)中板造成的磨損影響也有所區(qū)別，煤顆粒的硬度越高，對(duì)中板的切削作用越明顯，造成的磨損越嚴(yán)重。

圖18 各磨損常數(shù)下平均磨損深度曲線Fig.18 Curve of average wear depth under various wear constants

3.1.2 含矸率對(duì)中板磨損的影響

由于矸石的含量影響中部槽的磨損程度，為研究含矸率對(duì)中板的磨損影響，仿真中煤與煤之間以及煤與中板之間的接觸參數(shù)均不變，添加煤與矸石之間的恢復(fù)系數(shù)為 0.5，靜摩擦因數(shù)為 0.5，滾動(dòng)摩擦因數(shù)為 0.05；同時(shí)將 90 kg 運(yùn)輸物料的含矸率分別取 0～ 25%，等差為 5% 的 6 組參數(shù)，得到平均磨損深度分別為 3.82×10-6、4.62×10-6、6.03×10-6、7.27×10-6、8.23×10-6、8.94×10-6mm。不同含矸率下平均磨損深度曲線如圖19 所示。由圖19 可知，中板平均磨損深度與含矸率成正比，同組仿真中，當(dāng)含矸率從 0 增大到 25% 時(shí)，中板磨損深度增大了約 2倍，含矸率與平均磨損深度成正比且趨勢(shì)穩(wěn)定。由于矸石的硬度高于煤的硬度，在不同的開采環(huán)境下，運(yùn)輸物料中含矸率越高，對(duì)中板造成的磨損越嚴(yán)重。

圖19 各含矸率下平均磨損深度曲線Fig.19 Curve of average wear depth under various gangue contents

3.1.3 煤顆粒粒徑對(duì)中板磨損的影響

由于平均粒徑的增加會(huì)對(duì)磨損產(chǎn)生直接影響[20]，為研究煤顆粒粒徑對(duì)中板磨損的影響，煤顆粒粒徑分別取 20～ 45 mm，等差為 5 mm 的 6 組參數(shù)，此時(shí)中板產(chǎn)生的平均磨損深度分別為 2.43×10-6、3.18×10-6、3.82×10-6、5.97×10-6、7.18×10-6與9.89×10-6mm。各煤顆粒粒徑下平均磨損深度曲線如圖20 所示。由圖20 可知，中板平均磨損深度與煤顆粒粒徑成正比，同組仿真中，煤顆粒粒徑從 20 mm 增大到 45 mm，中板平均磨損深度增大了約 4 倍。由于煤顆粒粒徑越大，煤顆粒自身質(zhì)量就越大，單顆煤塊與同質(zhì)量的散煤相比，與中板的接觸面積更小，因此產(chǎn)生的局部壓載更大，對(duì)中板造成的磨損越嚴(yán)重。

圖20 各煤顆粒粒徑下平均磨損深度曲線Fig.20 Curve of average wear depth under various coal particle sizes

3.2 多因素對(duì)中板磨損深度影響分析

取煤顆粒粒徑A、磨損常數(shù)B、含矸率C為設(shè)計(jì)因素，依據(jù)表4 中的試驗(yàn)配置方案，對(duì)A、B、C三因素進(jìn)行正交模擬試驗(yàn)，正交因素水平如表3 所列，以中部槽中板平均磨損深度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表5 所示。其中Ki為因素水平之和 (i=1，2，3，4，5，6)；為因素水平均值；R為極差；S為均方差。

表3 正交因素水平Tab.3 Orthogonal factor levels

表4 試驗(yàn)配置方案及結(jié)果Tab.4 Scheme and results of test configuration

表5 中部槽中板磨損深度極差分析Tab.5 Range analysis of wear depth of middle plate in middle groove nm

以各因素水平作為自變量，中部槽中板平均磨損深度作為因變量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到各因素水平趨勢(shì)如圖21 所示。通過極差分析法得到中部槽中板平均磨損深度的主要影響因素，極差分析結(jié)果為R(A) ＞R(B)＞R(C)，可以看出，煤顆粒粒徑對(duì)中部槽中板平均磨損影響最大，含矸率對(duì)其影響最小。中板平均磨損深度與煤顆粒粒徑呈正比，是由于煤顆粒粒徑越大，單塊煤顆粒質(zhì)量越大，單顆煤塊與同質(zhì)量的散煤相比，與中板接觸面積更小，產(chǎn)生的局部壓載更大，對(duì)中板造成的磨損越嚴(yán)重；中板平均磨損深度與磨損常數(shù)呈正比，是由于煤顆粒硬度越高，對(duì)中板的切削作用越明顯，對(duì)中板造成的磨損越嚴(yán)重；中板平均磨損深度與含矸率呈正比，是由于矸石顆粒的硬度高于煤顆粒，因此含矸率越高，對(duì)中板造成的磨損越嚴(yán)重。

圖21 中板平均磨損深度因素水平趨勢(shì)Fig.21 Horizontal trend of average wear depth factor for middle plate

4 結(jié)論

(1) 刮板剛開始工作，煤堆穩(wěn)定性被破壞，此時(shí)運(yùn)輸阻力最大，煤顆粒與中板的接觸面積最小，中板與直接接觸的煤之間產(chǎn)生的相對(duì)滑移距離較小，因此磨損量較小；刮板勻速工作初期，部分煤顆粒掉落至刮板鏈下端，形成三體磨損，此時(shí)中板磨損急劇增大；刮板勻速工作后，中板平均磨損量增幅較穩(wěn)定。

(2) 隨著煤顆粒粒徑的增大、含矸率的提高、煤顆粒硬度的變大，中板平均磨損深度逐漸增大；在該三種因素持續(xù)增大的條件下，平均磨損深度增大的趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)。

(3) 三種因素下，煤顆粒粒徑對(duì)中板磨損影響最顯著，磨損常數(shù)對(duì)中板磨損影響其次，含矸率對(duì)中板磨損影響最小，在生產(chǎn)中板過程中對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，能降低磨損常數(shù)，延長(zhǎng)中板使用壽命。

(4) 試驗(yàn)表明中板、刮板鏈與煤顆粒之間形成的三體磨損，嚴(yán)重影響中板磨損，刮板輸送機(jī)工作周期長(zhǎng)，磨粒反復(fù)切削中板表面，切削過后的中板表面容易形成凹槽、坑洼，極易滯留煤炭顆粒殘?jiān)?，更多煤顆粒夾雜在中板與刮板鏈之間，直接造成更多次的三體磨損。一方面可以對(duì)刮板鏈下方的中板材料進(jìn)行針對(duì)性強(qiáng)化，延長(zhǎng)中板使用壽命；另一方面也可以對(duì)刮板鏈進(jìn)行拉緊，讓刮板鏈騰空不拖行于中板，無(wú)法形成中板與刮板鏈夾擊煤顆粒的局面，是有效減少三體磨損的方法，也是延長(zhǎng)中板使用壽命的有效途徑。