基于离散元法的变因素下刮板输送机耐磨仿生中部槽设计研究

The wear failure is one of the main reasons causing malfunction of the scraper conveyor during the transportation. How to improve the wear resistance of the chute has become an urgent problem to be solved. The existing methods are limited in improving the wear resistance. By imitating the concave and groove surface of animals, this project designs the wearable bionic chute for different mines based on wearing properties and wear area prediction of the chute under variable factors using DEM. After comparing the DEM simulation and abrasive wear test of the bulk coal, the model is validated and the coupling model of bulk coal and the chute using DEM is established; study the wear properties of the chute under different material factors, coal factors and transporting conditions, then predict the wear degree and area under different mine conditions; explore the design of bionic shape and arrangement using the DEM simulation, obtaining the best wear-resistant bionic structure, then the abrasive wear test was applied to verify it; on this basis, under different coal mine conditions, arrange the best wear-resistant bionic structure and design the wearable bionic chute. The results of this research can be used to explain the wear properties of the chute under variable factors, reveal the wear-resistant mechanism of the bionic structure and extend the usable life according to the mine conditions, which also provide important theoretical and practical value for wearable design of the chute.

中部槽磨损失效是造成刮板输送机运行故障的主要原因之一，如何提高中部槽的耐磨性成为了亟待解决的现实问题，现有的方法在提高耐磨性方面效果有限。本项目基于离散元法，借鉴动物表面凹坑及凹槽结构，在变因素下中部槽磨损特性研究与磨损区域预测的基础上，针对不同矿井条件设计耐磨仿生中部槽。通过煤散料磨粒磨损离散元仿真模拟与试验对比验证仿真模型，构建煤散料与刮板输送机中部槽的离散元耦合模型；研究不同材料因素、煤质因素及输运条件下中部槽的磨损特性，预测不同矿井条件下的磨损程度及磨损区域分布；采用离散元法仿真探究变因素下耐磨仿生结构的形状及排列设计，获取最优耐磨仿生结构，并进行试验验证；在此基础上，针对不同井下条件排布最优耐磨仿生结构，设计耐磨仿生中部槽。研究成果可阐明中部槽在变因素下的磨损特性，揭示仿生结构耐磨机理，针对矿井条件延长中部槽使用寿命，对于刮板输送机中部槽耐磨优化设计具有重要的理论及工程实用价值。

中部槽磨损是刮板输送机最主要的故障之一。本项目首先标定了离散元模拟所需参数，建立了中部槽DEM-MBD仿真模型，验证了仿真模型的正确性。通过Plackett-Burman多因素筛选试验，得出影响中部槽磨损的显著性因素为含水、含矸及法向载荷。建立了显著性参数与磨损量之间的二次回归模型。通过单因素及因素同时变化试验结果表明，含水、含矸、法向载荷及磨损行程与磨损量呈正相关性。在因素同时变化试验基础上，将含水量、含矸量综合考虑，构建了磨损量预测效果更好的改进Archard中部槽磨损公式。通过电子显微镜及聚焦形貌恢复技术对因素变化时中部槽磨损表面进行分析，表明煤散料作用下中部槽的磨损机理主要是以微犁削为主的磨料磨损。当煤散料中含水量增加时，会在金属表面产生严重的腐蚀磨损，矸石含量的增加会加剧微犁削磨损。.以扇贝壳及穿山甲鳞片的非光滑条纹结构为仿生原型设计了仿生中板，并分析了其耐磨仿生机理。对凹坑型、凹槽型、交叉槽型、交叉楞型四种仿生结构进行显著性因素筛选，确定四种仿生结构各影响因素间的相互作用关系，建立对应的回归方程，求解试验条件下的最优耐磨参数组合。结果表明：凹坑型和凹槽型的减磨效果较为显著；试验条件下凹坑型的最优参数组合为：形貌圆坑、直径0.9 mm、深度1.8 mm、角度90°、横向间距13.6 mm和纵向间距10 mm，其中直径、深度和横向间距为显著性影响因素；凹槽型最优耐磨参数组合为：形貌三角槽、宽度0.54 mm、深度0.5 mm、角度46°和间距8 mm，其中宽度、深度和角度为显著性影响因素；交叉槽型仿生结构的减磨效果不显著，但其可以从一定程度上减小刮板链的振动，使得中板受力较为均匀；交叉棱型仿生结构，可以为中部槽的耐磨堆焊修复技术提供参考。.对变因素下，即不同均值正态分布的煤颗粒粒径范围、上山10°、下山10°、平稳工况等进行了磨损区域和磨损程度的分析。实际应用中可根据具体运行工况，强化磨损较大的区域，从而提高中部槽的使用寿命。