一种新型中部槽的设计

张 蕾,任亚洲

(山西煤矿机械制造股份有限公司,太原 030031)

刮板输送机是煤矿井下采煤工作面的运输设备,其主要部件中部槽的设计影响着整机的制造成本、周期及环保效益[1]。目前,刮板输送机中部槽多为铸式组焊式结构,其挡板槽帮、铲板槽帮为铸件,生产周期长,成本高、制造精度低、互换性差、有一定的环境污染。面对日渐严格的环保法规,最大程度的减少铸件的使用已成为一种趋势[2]。为缩短生产周期、降低成本,实现绿色生产,设计板件组焊式中部槽,其端头采用锻造结构,其余立板、侧板均采用板材,减少对铸件的依赖,并可提高中部槽间互换性。

1 铸焊式中部槽结构

1-铲板槽帮;2-中板;3-底板;4-挡板槽帮;5-轨座;6-弯板

本文选槽宽为800 mm、槽帮高320 mm的中部槽作为研究对象,铸焊式中部槽结构见图1。

如图1所示,该中部槽由铸造铲板槽帮、铸造挡板槽帮、中板、底板、弯板、轨座焊接而成。其中槽帮采用铸件结构,材料是ZG30MnSi;中板为K400,厚45 mm;底板为K400,厚30 mm;弯板为Q345;轨座为ZG30MnSi。槽帮为铸造结构,铸造生产存在组织晶粒比较粗大、且内部常有缩孔、缩松、气孔、砂眼等铸造缺陷;残余内应力的存在影响推移耳处的受力;铸造生产工序繁多,工艺过程较难控制,致使铸件的废品率较高;铸造的工作条件较差,劳动强度比较大。

2 板件组焊式中部槽结构及有限元分析

2.1 组焊式中部槽结构

板件组焊式中部槽见图2。

1-铲板；2-左翼板；3-中板；4-右翼板；5-左侧板；6-底板；7-右侧板

如图2所示,组焊式中部槽由左右侧板、左右翼板、中板、底板、铲板、端头等组装焊接在一起。其中中板、底板所受刮板链的摩擦力最大,所以选用K450耐磨材料。考虑到侧板、左右翼板与刮板链的摩擦,铲板与采煤机滑靴的摩擦、磨损,推移耳与液压支架的摩擦及推移力,侧板、左右翼板、铲板及推移耳均选用耐磨材料NM360。筋板不受摩擦力的作用,选用Q345,其中端头采用锻造结构,其材料为42CrMo。

板件组焊式中部槽端头见图3。

1-端头

如图3所示,组焊式中部槽槽间联接端头采用同一种结构,代替传统的凸凹端端头,减少端头开模数量。

2.2 组焊式中部槽有限元分析

1)中部槽实体模型的建立。利用Pro/Engineer建立三维实体模型,并对中部槽各部件之间添加接触约束。

2)定义材料属性和网格划分。将Pro/E模型导入ANSYS中进行模态分析,并定义材料属性。

采用系统默认的自由网格划分,采用四面体单元,划分有限元网格。板件组焊式中部槽网格模型的节点数为:603 888个,单元数为295 722个。

3)约束条件及载荷。约束中部槽整体的沿X、Y、Z三个方向的平移及旋转自由度[3]。中部槽两端的端头进行约束,在井下采煤机的割煤运行过程中,中部槽轨座及铲板上受到采煤机滑靴向下的正压力、采煤机牵引力、及液压支架的推溜力。

查阅采煤机说明书[4],整机重量约50 t,作用在铲板及轨座上的力各取250 kN,牵引力取250 kN。

查阅资料[5],推溜力取360 kN。

4)结果分析。组焊式中部槽应力与应变云图见图4。

4-a 应力图

4-b 应变图

如图4所示,板件组焊式中部槽最大应力发生在推移耳上,最大应力值为204.15 MPa;最大应变发生在弯板外侧,最大应变值为0.17 mm。推移耳所选材料NM360,抗拉强度σb=1 050 MPa,计算最大应力小于材料极限应力,板式中部槽设计满足强度需求。

3 组焊式中部槽与铸焊式中部槽成本分析

对于企业生存及长期发展而言,在保证产品使用要求的前提下,降低成本、缩短生产周期、进行绿色生产具有重大意义。

1)成本计算分析。板式中部槽与铸焊中部槽比较如表1所示。

表1 板式中部槽与铸焊中部槽比较

对以上两种结构中部槽进行对比,板件组焊式中部槽重量为1 650 kg,铸件组焊式中部槽重1 721 kg,因此,板件组焊式中部槽较重量较轻,经成本核算,板件组焊式中部槽成本降低,且加工精度高。

2)制造周期比较。铸件加工周期长,板件气割组装时间短,采用板件组焊可有效减少生产制造周期。

3)绿色制造方面比较。铸件的制造过程带来的环境污染较为严重,通过焊接手段来代替铸造可有效的降低污染。

4 结论

1)设计了槽宽为800 mm的板件组焊式中部槽。

2)对板件组焊式中部槽进行有限元分析,强度满足设计要求。

3)对板件组焊式中部槽与铸式组焊式中部槽进行对比分析,板件组焊式中部槽具有如下优点:中部槽可减重约70 kg,缩短生产周期;降低加工成本、提高加工精度及装配一次通过率;其生产过程带来的环境污染小。