刮板输送机中部槽磨损分析

白志光

（山西煤炭运销集团能源投资开发有限公司，山西 太原 030000）

引言

刮板输送机作为煤矿综采工作面的主要设备之一，在采煤机与液压支架之间具有桥梁的作用。刮板输送机的核心是中部槽，由于该设备长期经受刮板、链条及煤炭等物料的磨损，中部槽的寿命成为了决定刮板输送机寿命的主要因素[1]。赵云才建立了中部槽的摩擦学系统模型，理论分析得出了中部槽的磨损存在多种机制，通常为磨粒磨损和腐蚀磨损[2]；蔡柳研究了中部槽运煤过程中磨损状况，然而，对于设备本身之间部件的磨损研究较少[3]。因此，本文以刮板输送机中部槽作为主要研究对象，采用数值模拟的方法对中部槽接触表面的磨损情况进行研究，获得了表面粗糙面的变化规律。

1 模型的建立

刮板输送机中部槽的部件在实际接触过程中由于凹凸体的存在，并不是完全的面接触状态，而是粗糙的突起体之间的点接触状态。为了最大程度地还原中部槽部件间的摩擦滑动，采用随机分布的方式创建粗糙接触面，为便于分析，将中部槽摩擦副之间的磨损简化为粗糙面与光滑面之间的摩擦，从而构建接触滑动模型，如图1 所示，上部为粗糙实体，下部为光滑实体。模型的材料选择上部粗糙部件为16 Mn，下部为40 Cr，其力学参数见表1。

为防止模拟过程中出现不收敛情况，上部粗糙实体M 采用四面体剖分网格，下部光滑体N 采用六面体进行网格的划分。边界条件及加载形式采用在加载阶段，对上部粗糙实体施加载荷P，其他部件表面均采用约束自由度的方式；滑动阶段，其他表面的边界条件不变，将下部实体沿X 方向约束接触，并给予速度V。

图1 粗糙接触面模型

表1 材料参数表

1.1 不同阶段接触面积的变化

刮板输送机中部槽工作过程中，影响结构部件寿命主要因素在于其接触面积以及接触面上的应力场分布状况。为此，本文以有效接触面积Ar与名义接触面积An的比值为指标来定量研究接触面与二者的关系。

如图2 所示，随着时间的推移，结构体表面接触面积分为三个阶段，依次为匀速增加段、快速增加段和稳定阶段。匀速增加段的产生主要是在加载初期随着荷载增加，首先接触的部位是较高凸体表面，由于荷载较小，此时接触体仅发生弹性范围内的变形；随着荷载增加，出现更多的凸体接触，一部分凸体开始出现了塑性变形，另一部分依旧处于弹性变形阶段，导致接触面积迅速增加；第三阶段接触面积下降，是因为较大的载荷导致部分凸体水平应变增加，挤压了部分空间，使得接触面积减小。

图2 接触面积随时间变化曲线

为研究刮板输送机运行过程中的部件之间的摩擦状况，分别计算了不同运行速度和载荷条件下的接触面积变化规律。通过图3-1 可知，在载荷一定的情况下，运行速率越大，接触面积的波动越明显，但其均值相差不大；而通过图3-2 可知，在运行速率一定的情况下，载荷的增加会导致接触面积的增大，同时会使接触面在运行初期波动效应减小。其原因在于，中部槽部件接触面积的大小主要决定于上覆载荷所导致的接触体变形量，运行速率的增加会导致部件间接触时间过短，凸体部分处于高频率的变形过程中，从而导致接触面积波动；而随着载荷增加，将会导致凸体变形增大，部件间的接触更加充分，因此导致运行初期波动减小，接触面积增加。

通过以上分析可知，在刮板输送机运行加载阶段，部件间的接触面积相对较小，因此会造成部件表面微凸体处的应力集中，从而加速部件的磨损；进入稳定运行阶段，刮板运行速率过大将导致部件间的接触频繁波动，同样会导致磨损的加剧。同时，尽管载荷增加会使得部件间的接触更快地进入稳定状态，但同时也会引起部件间摩擦力增大，从而引起部件磨损加快。

图3 运行过程中接触面随速度及载荷变化曲线

1.2 不同阶段凸体表面应力分布

刮板输送机中部槽的磨损最根本原因在于部件之间的表面在外荷载作用下产生变形，以及摩擦生热所产生的热应力加剧了部件的磨损程度。

通过分析图4 中接触体表面应力分布云图可知，在加载初期（30μs 前）接触体表面的应力分布区域随着加载的进行而不断扩大，并且高应力区域主要分布在微凸体的尖端位置，这主要是由于在加载初期，上覆载荷的应力主要有微凸体首先承载，随着时间的增加，微凸体产生变形导致高应力区域不断增大；而进入滑动运行阶段以后，由图4-3、4-4 可知，结构体表面应力分布区域相差不大，但此时的高应力区域已经有微凸体的尖端向两侧转移，这主要是因为稳定运行阶段微凸体变形达到平衡，微凸体的变形使得接触面变大，从而使得尖端两侧出现变形不协调现象，继而引起高应力区域的转移。

图4 不同阶段接触体表面应力（MPa）分布云图

由此可知，长期不稳定运行将会导致刮板输送机部件间的接触面积反复波动，致使部件表面的应力分布长期处于应力集中的状态，继而导致刮板部件的磨损情况加剧。

2 结论

通过分析刮板输送机中部槽在运行过程中的不同阶段接触表面及部件内部应力分布可知：

1）在刮板输送机的运行的加载阶段，部件间的接触面积将不断增加，接触面积过小将会使得应力集中现象严重，从而加速部件之间的磨损，应尽量缩短加载段到稳定运行段所需时间，从而减小部件磨损；

2）刮板输送机运行速度过快将会导致部件间的接触面积处于不断波动的状态，这种现象会加快部件的磨损；

3）刮板输送机运行过程中，加载段的凸体表面应力分布相比运行阶段的应力分布应力集中现象更加明显，会加快部件的磨损。