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不同材料箕斗耐磨衬板基于EDEM的仿真分析

2024-01-10 76 上传者：管理员

摘要：利用EDEM离散元仿真软件对不同材料箕斗衬板磨损情况进行模拟仿真分析，建立合理的磨损计算模型，预测箕斗衬板使用寿命，对箕斗衬板选型、煤矿主井提升及装载系统改造等具有重要的理论指导意义及工程应用价值。

关键词：
EDEM
磨损
箕斗
耐磨
衬板
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鲍店煤矿主井现有提升及装载系统的箕斗因受物料冲击与摩擦，结构变形且磨损严重，需布置衬板以保护其整体结构，降低设备维护成本。目前，主要使用Q235结构钢、不锈钢、锰钢及耐磨堆焊板等作为耐磨衬板材料。一般认为，材料耐磨性能与材料硬度成正比，即硬度越高的材料，其耐磨性能越优。但实际上，在选择衬板材质时需综合考虑其磨损形式与使用寿命，才能合理选用衬板，降低维护成本。

本文借助数值模拟的研究方法，建立合理的磨损计算模型，预测箕斗衬板使用寿命，对箕斗衬板选型、煤矿主井提升及装载系统改造等具有重要的理论指导意义及工程应用价值。

1、箕斗衬板磨损仿真方案制定

(1）进行一次完整的物料流经箕斗过程的仿真。仿真共计26 s，前4 s模拟定量斗量取12 t物料；第5 s时定量斗闸门打开，物料经由溜管流入箕斗入口；随后物料在箕斗内流动，在第26 s时全部从箕斗出口流出。

(2）依次使用4种材质的衬板及Archard Wear磨损模型，模拟不同材质的箕斗衬板所受滑动磨损的状态，并提取相应最大磨损深度，衡量不同材质衬板耐滑动磨损性能。

(3）依次使用4种材质的衬板及Oka Wear磨损模型，模拟不同材质的箕斗衬板所受冲击磨损的状态，并提取相应最大磨损深度，衡量不同材质衬板耐冲击磨损性能。

(4）通过比较2种磨损形式的最大磨损深度，得出箕斗衬板主要磨损形式，并估算出箕斗内衬板使用寿命。

2、仿真参数确定

(1）几何模型

利用EDEM建立煤矿装载及提升系统几何模型如图1所示。

图1几何模型

(2）材料物性参数

材料物性参数如表1所示。

表1材料物性参数

(3）煤特性参数与物料标定

煤特性参数：取物料堆积角为30°、滑动角60°，在EDEM中建立相应的堆积角与滑动角试验，分别对物料之间、物料与设备之间的摩擦因数与表面能进行标定，保证仿真物料流动特性符合实际物料。通过物料标定，得出物料接触参数如表2所示。

表2接触属性参数

取堆密度ρd=1 000 kg/m3，对物料的真密度进行标定。虚拟标定试验设置物料真密度ρz=1 400 kg/m3进行堆积，在软件中测量其对应的堆密度为ρb=806kg/m3，则物料的真密度

在EDEM中，Oka Wear磨损模型需要输入WOka与Hv,Archard Wear磨损模型需要输入Wa，取值均来自相关文献与EDEM软件推荐取用值。

磨损模型参数如表3所示。

表3磨损模型参数

3、仿真结果分析

(1）壁面冲击力

壁面冲击力主要用于结构强度校核，识别主要受物料冲击位置，因此应针对主要受冲击区域进行分析。物料在箕斗内流动状态如图2所示，箕斗主要受冲击位置在箕斗后壁衬板上，故在该位置设置力传感器，提取壁面冲击力，传感器位置如图3所示。

图2物料在箕斗内流动状态

图3壁面冲击力传感器位置图

提取不同材质的箕斗衬板承受的最大冲击力，结果如图4所示。4种材质中，以耐磨堆焊板承受最大冲击力最高，为12 293 N；不锈钢材质内衬板承受冲击力最低，为10 833 N，两者差值为1 460 N，差距不明显。因此为保证结构强度满足需求，在进行结构强度校核时，推荐使用12 293 N作为最大载荷计算。

图4不同衬板材质对应最大冲击力

(2）滑动磨损

箕斗衬板滑动磨损分布如图5所示，在箕斗后壁衬板上发生明显滑动磨损（图中矩形框内），该区域是物料的直接冲击区域。箕斗后壁衬板与底衬板交界处（矩形框内最下方），可观察到一条明显的条状区域，说明此处发生最严重的滑动磨损现象。针对此种情况，可考虑优化底衬板结构，转角采用大角度弧线结构过渡。

图5衬板对应滑动磨损状态

衬板表面最大滑动磨损深度随衬板硬度增加而显著降低，如图6所示。Q235材质衬板的最大滑动磨损深度值最高，为3×10-3mm；不锈钢材质次之，为2.4×10-3mm;Q345材质再次，为1×10-3mm；耐磨堆焊板最小，为1.3×10-4mm。故可计算出4种材质对应耐滑动磨损性能比值为1∶1.25∶3∶23.1，耐磨堆焊板耐滑动磨损性能远高于其他3种材质。

图6衬板最大滑动磨损深度

(3）冲击磨损

4种材质衬板的冲击磨损状态如图7所示。箕斗内衬板所受冲击磨损主要发生在图7中矩形框内，与图6中滑动磨损发生位置接近。

图7 4种材质的衬板对应冲击磨损状态

衬板表面最大冲击磨损深度如图8所示，在一次完整的煤流过箕斗过程中，最大冲击磨损深度值以不锈钢材质的衬板最高，为0.021 5 mm。Q235材质衬板的最大磨损量为0.020 4 mm。由于最大冲击磨损深度一般是由较大动量的颗粒反复冲击形成，因此Q235抵抗大动量冲击磨损的能力要较不锈钢高。不锈钢材质的衬板发生严重磨损区域面积要较Q235的略小，说明不锈钢材质整体抗冲击磨损性能略高。Q345对应最大冲击磨损深度值为0.010 4 mm，说明其耐冲击磨损性能明显高于Q235，是后者的2倍。磨堆焊板最大磨损深度值为0.002 2 mm，说明耐磨堆焊板耐冲击磨损性能最高，是Q235材质的9.3倍。

图8衬板最大冲击磨损深度

(4）主要磨损形式及衬板寿命估算

比较图6与图8，可以观察到衬板最大冲击磨损深度较滑动磨损深度高约1个数量级，表明箕斗后壁衬板磨损形式主要为冲击磨损。以Tx表示材质为x的衬板的使用寿命，当仅考虑冲击磨损时，可根据最大冲击磨损深度计算出4种材质对应使用寿命比值为：TQ235∶T不锈钢∶TQ345∶T耐磨堆焊板=1∶0.95∶1.96∶9.27。

耐磨堆焊板寿命远高于其他3种材质。若衬板厚度为35 mm，每次流过箕斗的煤量为12 t，且不考虑安全系数，则Q235材质的衬板使用寿命为1 715次、不锈钢为1 629次、Q345为3 361次、耐磨堆焊板为15 898次。

4、结语

分别采用Archard Wear磨损模型与Oka Wear磨损模型对箕斗衬板进行了磨损仿真分析，并分析比较了4种不同材质的衬板耐滑动磨损与冲击磨损性能，结果如下：

(1）箕斗后壁衬板为主要承受冲击位置，最大冲击力为12 293 N;

(2）箕斗侧壁面同一高度上承受压力值接近，整体侧壁压力-高度曲线接近一条直线，最大压力约为23 334 Pa;

(3）磨损主要发生在箕斗后壁衬板上，且同时存在冲击磨损与滑动磨损，但冲击磨损的最大磨损深度较滑动磨损的最大磨损深度高约1个数量级，在选用衬板时应主要考虑衬板抗冲击磨损的能力；

(4）以冲击磨损程度为衡量标准，考虑不同材质衬使用寿命、购置成本以及维护成本，推荐使用耐磨堆焊板作为衬板原材。

参考文献:

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