刮板输送机中部槽磨粒磨损试验装置研制与应用_夏蕊.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 039刮板输送机中部槽磨粒磨损试验装置研制与应用夏蕊1，李博1，2，王学文1，2，李娟莉1，2(1 太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024;2 煤矿综采装备山西省重点实验室，太原 030024)摘要:刮板输送机井下工况环境恶劣，中部槽磨损实物试验开展困难。为了使学生更深层次认识中部槽磨损问题，设计并研制了一种用于教学实验的旋转往复式刮板输送机中部槽磨粒磨损试验装置。该试验装置由试验盘转动系统、往复运动系统、加载机构、电控系统等组成，能够实现旋转、往复两种运动形式，且可以通过模拟复杂工况下的两体、三体之间的相互摩擦，较为直观地表达物体之间的磨损状况。其操作过程简单易懂，适用范围广泛，可靠性高，能够激发学生的学习兴趣，也可应用于科研等领域。关键词:刮板输送机;磨粒磨损;试验装置;旋转往复运动中图分类号:TD 421文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0192 04Development and Teaching Application of Abrasive Wear ExperimentalDevice for Middle Groove of Scraper ConveyorXIA ui1，LI Bo1，2，WANG Xuewen1，2，LI Juanli1，2(1 College of Mechanical and Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;2 Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment，Taiyuan 030024，China)Abstract:The underground working environment of scraper conveyor is bad，and it is difficult to carry out the realexperiment of middle groove wear In order to make students have a deeper understanding of the wear problem，anabrasive wear experimental device for the middle groove of rotary reciprocating scraper conveyor for teaching experimentis designed and developed The experimental device is composed of test disk rotation system，upper sample reciprocatingmotion system，loading system，electric control system and so on The device can realize rotary motion and reciprocatingmotion at the same time，and can intuitively express the wear condition between objects by simulating the mutual frictionbetween two bodies and three bodies under complex working conditions Its operation process is simple and easy tounderstand，with a wide range of applications and high reliability It can stimulate studentsinterest It has been widelyused in teaching，scientific research and other fieldsKey words:scraper conveyor;abrasive wear;experimental device;rotary reciprocating motion收稿日期:2022-04-27基金项目:国家自然科学基金项目(51804207，51875386)作者简介:夏蕊(1988 )，女，陕西渭南人，博士，讲师，主要研究方向为机械设计及理论，矿山机械摩擦学。Tel:18406553513;E-mail:xiarui tyut edu cn0引言中部槽磨损一直是造成刮板输送机工作面失效故障的重要原因之一，每年因磨损失效的中部槽达 50 60 万节，损失巨大1-2。煤矿井下工作面环境复杂，中板磨粒磨损试验研究只能依托模拟试验台进行3-4。通过专用磨粒磨损试验机能够模拟载荷、颗粒、行程等工况条件，尽可能还原中板-煤颗粒-刮板之间的磨损过程，对于矿山机械专业学生理解煤矿机械磨损，了解相关力学特性，激发创造力具有重要意义。目前，针对磨损试验研究，学者们相继开发了相关第 2 期夏蕊，等:刮板输送机中部槽磨粒磨损试验装置研制与应用设备。翟文杰等5 通过研究人体骨关节之间的摩擦磨损，设计研制了人工髋关节摩擦磨损试验机;李宝良等6 针对国内低频、高载荷、大行程磨损研究，开发了此专用工况下的往复式摩擦磨损试验机;杨超振等7 针对发动机活塞-缸套摩擦副，研制了专用摩擦磨损试验机;刘标奇等8 研制了用于柱塞泵摩擦副研究的摩擦磨损试验机，用于分析不同介质下柱塞泵摩擦副的力学特性;浦维达9 设计了用于默哀聊磨损碰撞冲击试验的喷射型磨料磨损装置;李安玲等10 设计了能够测定金属和非金属材料机械零件摩擦磨损特性的高速球棒式摩擦试验机;韦林等11 研制了一种滑板可调式摩擦实验装置，可以进行一定角度滑板上物体滑动、翻转、滚动实验;王振玉等12 研制了小尺寸缩比 Krauss摩擦试验机，能够较大程度节省摩擦试验材料。上述磨损设备，从制样到试验专业性强、精度要求高，且多侧重于科研分析。针对刮板输送机中部槽磨损的教学研究，应从摩擦副结构类比、摩擦副材料选择、工况条件设定、磨损结果分析等多角度展开，而目前的磨损设备适用性较小。据此，本文研制了一套实用性强、使用范围较广、操作简单且适用于教学和科研的刮板输送机中部槽磨粒磨损试验装置。该装置通过上试样与下试样之间的相互摩擦，模拟中板与刮板间相对运动，结合煤散料注入还原中板-煤散料-刮板相互作用过程，针对不同试验需求配置往复式、旋转式运动方式。通过该装置可以使学生直观理解中板刮板摩擦副，增强学生们的动手能力、试验分析能力以及思考能力，拓宽学生们的学习兴趣和深入探索的好奇心。1结构组成与工作原理1 1磨粒磨损试验机的结构组成该磨粒磨损试验机的结构如图 1 所示。主要由试验盘转动系统、往复运动系统、加载机构、电控系统等组成。(a)实物(b)简图图 1磨粒磨损试验机结构试验盘转动系统主要由磨料槽伺服电动机、齿形带、磨料槽主轴以及转盘组成。磨料槽伺服电动机通过齿形带传动扭矩，齿形带带动磨料槽主轴转动，从而使转盘转动。往复运动系统主要由丝杠电动机、丝杠、滑块、料槽组成，丝杠电动机通过带动滑块，使滑块在丝杠上做往复运动。电控系统主要完成试验类型的选择、控制电动机的转动、转盘转速的设置、转动时间的设置、回转半径的设置等功能。该系统由触摸显示屏、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、接近开关和伺服驱动器等组成。通过磨料槽伺服电动机及丝杠电动机调速实现旋转及往复运动的速度变化，通过电感式接近开关传感器统计转动圈数及往复运动位置。试验中的转速及位置参数经对应传感器采集后，经信号放大处理并传递给 PLC，PLC 接收后作出反馈调节并传送到上位机进行数据显示及保存。同时，上位机指令经触屏界面输入，传送给 PLC 并完成指令的执行。控制界面如图 2 所示。(a)旋转试验控制(b)往复试验控制图 2电控系统控制界面磨粒磨损试验机的主要技术指标如表 1 所示。表 1主要技术指标序号项目名称规格、参数及指标1最大试验力100 N2试验力精度1%3圆盘转速范围60 600 r/min4试验力加载方式手动加载5控制方式定时间或定转数6运动形式旋转或往复运动7对磨磨料矿砂、湿式砂浆、弱酸碱溶液8外形尺寸1 200 mm 600 mm 1 350 mm9电动机功率38 kW1 2工作原理该磨粒磨损试验由电控柜统一控制，可实现往复、旋转两种运动形式。试验时，上试样由滑块固定于丝杠上，电动机带动丝杠旋转实现上试样往复运动，下试391第 42 卷样固定于试验盘上，伺服电动机通过皮带带动试验盘转动。试验机两种运动单独控制、独立运动，当往复运动时，上试样往复，下试样固定;当旋转运动时，上试样固定，下试样旋转。试验装置载荷通过手动砝码加载方式进行。试验时可以在转盘中添加不同粒度的散料颗粒，模拟上下试样与散料间的相互运动过程。2刮板输送机磨粒磨损试验方案设计2 1中部槽摩擦副磨损机理刮板输送机中部槽结构如图 3 所示，刮板在刮板链条的作用下，带动煤颗粒在中板表面滑动。试验中，上试样模拟刮板结构，下试样模拟中板，在料槽中充满煤颗粒，模拟三者运动。图 3刮板输送机中部槽结构大量研究表明，中部槽磨损以磨粒磨损为主。磨粒磨损机理主要包括微观切削、多次塑变疲劳断裂以及微观脆性断裂13-15。煤料受到刮板的法向力作用压入中板表面形成沟槽，造成微观切削。输运过程中，散料在刮板链带动下在中板表面滑动，形成压坑及凸脊，多次重复碾平中造成表面薄片状断裂脱落。当硬质煤散料压入脆性中板表面时，造成辐射状裂纹而产生脆性断裂。磨粒磨损的简化模型如图 4 所示。图 4磨粒磨损模型模型将散料颗粒看作圆锥体，受到载荷作用而压入较软的材料表面，并在切向力作用下产生滑移。则，磨损体积可以表示为:Q=2r x S/2=r x S(1)式中:x 为压痕深度;r 为磨粒锥半径;S 为滑移距离。由于压痕深度与材料硬度 H 及法向载荷 L 有关，即有:x=r cot(2)r2=L/H(3)则Q=cot S L/(H)(4)令K=cot/(5)即磨粒磨损模型，Q=K S L/H(6)可见，中板表面的磨粒磨损受到材料及磨料性质、工况条件(链速、载荷)等综合作用。另外，中板刮板摩擦副磨损的特殊性体现在磨料，即煤散料特性差异上。煤散料粒度、含矸率、含水率会影响磨粒磨损，同时会造成黏着磨损及腐蚀磨损。因此，刮板输送机中板刮板摩擦副磨粒磨损的研究应从工况、煤散料等设计方案的多角度进行试验研究。2 2旋转及往复运动试验方案磨粒磨损试验方案如图 5 所示，主要分为试验准备、磨粒磨损试验、试验结果及分析 3 个阶段。试验准备阶段，按照旋转式及往复式试验要求处理上试样及下试样，采用 80 2 000 目砂纸对试样表面进行处理，采用酒精浸泡后进行试验前称量;磨料配备中，将煤岩散料破碎、筛选、烘干，根据不同的试验需求配比煤、矸石、水的比例。磨粒磨损阶段，通过磨粒磨损试验机进行试验，进行上试样及下试样固定，设置不同的转速或往复运动速度、试验运行时间等参数，在转盘中添加磨料。完成试验后进行试验结果处理及分析，对拆卸的试样表面进行酒精浸泡，去除杂质，进行称量，通过试验前后质量相减得到磨损量;通过显微镜观测犁沟、腐蚀凹坑、疲劳断裂等磨痕形貌。图 5旋转及往复运动试验方案3示例试验3 1试验设计通过旋转方式试验进行演示，上试样选用两种不同硬度的 30CrNi3MoV 钢，编号分别为 21(硬度30 8HC)和 22(硬度 33 3H