刮板输送机中部槽冲击损伤及分析研究

杨纪

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

刮板输送机作为煤炭综采工作面重要设备之一，广泛应用于煤炭采掘领域，其工作的安全性和可靠性对煤矿安全高效生产影响重大。刮板输送机工作过程中易受较大的冲击载荷，出现冲击损伤磨损等问题。在实际井下作业中，刮板输送机不仅工作环境恶劣，应用工况也不尽相同，包括水平、上运和下运工况，相关规定要求刮板输送机上、下运工况时，前倾角数值不能太大，尤其是下运工况时，较大的倾角会出现落煤下滑问题。但是目前关于前倾角对于刮板输送机中部槽冲击损伤规律的研究较少。因此，本文针对王坡煤业3310综采工作面SGZ764/630型刮板输送机中部槽冲击损伤问题，开展前倾角对中部槽冲击损伤的影响规律，以期改进刮板输送机中部槽冲击损伤情况。

王坡煤业3310综采工作面在实际作业过程中，刮板输送机中部槽经常出现冲击损伤问题，如图1所示，中部槽中间位置已被冲击出现裂纹，而且中部槽冲击损伤位置大多处于中部槽中部，即直接承受落煤冲击的位置。根据王坡煤业刮板输送机中部槽故障统计结果，平均每3个月就会出现中部槽板冲击损伤问题，更换中部槽板费时费力，严重影响工作面安全高效生产。

图1 中部槽冲击损伤Fig.1 Impact damage of middle groove

刮板输送机中部槽工作过程中涉及的主要参数包括侧倾角、前倾角、链间距和落煤粒径等。从刮板输送机安装布置的角度出发，前倾角和侧倾角是主要的影响因素，而链间距是由刮板输送机结构决定的，与安装使用无关，落煤粒径的大小主要是由采煤机掘进过程中随机产生的，不受人为意识左右。因此，为了提高刮板输送机中部槽工作的可靠性，从安装使用维护等方面进行改进的话，需要重点关注前倾角和侧倾角。根据王坡煤业实际情况，此次选择前倾角对中部槽冲击损伤规律的影响进行研究，以期延长该矿刮板输送机中部槽的使用寿命。

3.1 仿真模型

通常实际工作中刮板输送机中部槽的最大倾角不能大于10°，基于此建立了上运工况时倾角10°的仿真模型和下运工况时倾角-10°的仿真模型，如图2所示。由图2可以看出，上运工况时落煤与刮板运动方向相反，而下运工况时，落煤与刮板运动速度相同。

图2 仿真模型Fig.2 Simulation mode

3.2 参数设置

完成刮板输送机中部槽前倾角仿真计算模型建立之后在EDEM软件中进行参数设置，首先定义上运工况为正，下运工况为负，设置5个前倾角度梯度，分别为-10°、-5°、0、5°、10°。根据王坡煤业3310综采工作面和SGZ764/630型刮板输送机实际运行情况，设置落煤冲击高度为1 m，落煤类型选择无烟煤，刮板间距设置为140 mm，仿真计算时间为5 s。

此次模拟研究前倾角对中部槽冲击磨损深度和法向累计接触能量的影响规律，导出计算结果数据，运用Origin软件进行统计分析，进一步分析规律趋势。

4.1 前倾角对中部槽冲击磨损深度的影响

刮板输送机中部槽前倾角度与冲击磨损深度的对应关系曲线如图3所示。由图3可以得出，中部槽水平工作时，相较于中部槽存在前倾角，冲击损伤深度最大，数值为1.19×10-6mm，出现上述现象的主要原因是上运工况和下运工况时，落煤与中部槽冲击时存在冲击角度，落煤对中部槽的法向冲击强度减小，使得中部槽的冲击损伤程度降低。

图3 中部槽不同前倾角对应的冲击损伤深度Fig.3 Impact damage depth corresponding to different rake angles of central groove

由于中部槽处于下运工况时，落煤与中部槽上方刮板的运行分量一致，落煤与中部槽接触的瞬间速度较大，对中部槽的冲击损伤相对较大，中部槽前倾角-10°时产生的冲击损伤深度数值略大于前倾角10°时产生的冲击损伤深度数值。中部槽前倾角在-10°～0和0～10°两个区间段内，冲击损伤规律呈现线性分布，说明中部槽随着前倾角的增大，冲击损伤深度逐渐降低，峰值出现在中部槽水平工作状态。

4.2 前倾角对中部槽法向累计接触能量的影响

刮板输送机中部槽法向累计接触能量与前倾角的对应关系如图4所示。可以看出，初始0～0.5 s时中部槽未出现法向累计接触能量的变化，原因是落煤刚离开采煤机滚筒，尚未落至中部槽；
0.5～1.5 s时，中部槽法向累计接触能量呈现出了较快的增长趋势，此时正处于落煤集中冲击中部槽的工况；
1.5～5 s时，中部槽法向累计接触能量依然呈现增长的趋势，但是增长速度有所放缓，主要原因是随着落煤在中部槽的堆积，出现了“煤打煤”的情况，降低了落煤对中部槽的冲击损伤作用。

中部槽前倾工作时，落煤与中部槽上方刮板存在冲击角度，中部槽法向累计接触能量较低，水平无倾角工作时中部槽的法向累计接触能量相对较大。由图4可知，水平无倾角工作时5 s时间内的法向累计接触能量为2.01 kJ，而前倾角为-10°和10°时对应的中部槽法向累计接触能量数值分别为1.77 kJ和1.42 kJ，下运工况时的法向累计接触能量数值大于上行工况，主要原因是下运工作时，落煤与中部槽上方刮板的运行速度相同，刮板会对落煤产生助推，是落煤的动能增加，剧烈冲击中部槽。

图4 中部槽不同前倾角对应的法向累计接触能量Fig.4 Cumulative normal contact energy corresponding to different anteversion angles of the middle trough

4.3 应用与讨论

根据上述仿真计算的中部槽前倾角对冲击损伤深度和法向累计接触能量影响规律可以得出，刮板输送机安装布置时尽量布置成前倾角10°的上运工况，此时落煤对中部槽产生的冲击较小。

基于上述理论分析，在王坡煤业进行了实践应用，将刮板输送机布置为上运工况，跟踪记录试验过程。结果显示，刮板输送机中部槽可靠工作时间为近5个月，未出现裂纹漏煤等问题。与先前刮板输送机顺势布置相比，中部槽使用寿命延长2个月，增加刮板输送机有效运行时间，保证了煤炭企业产煤量和效率，验证了仿真模拟结果的准确性。

中部槽作为刮板输送机结构组成部件，直接承受落煤的冲击，工作可靠性要求较高。针对王坡煤业3310综采工作面SGZ764/630型刮板输送机中部槽冲击损伤问题，开展了中部槽不同前倾角对冲击损伤深度和法向累计接触能量的影响研究，仿真模拟结果表明，刮板输送机中部槽有倾角时比无倾角时受到的落煤冲击强度低，上行工况时比下行工况受到的落煤冲击强度低。根据仿真模拟结果，改进了王坡煤业刮板输送机布置形式，采用上行工况，有效增加了该矿刮板输送机中部槽的使用寿命，取得了良好的应用效果。