刮板输送机中部槽的研究分析
刮板输送机是长壁工作面的主要输送设备，为满足高产高效集约化矿井的生产需求，自20 世纪80 年代以来，国内外刮板输送机不断向大运量、长运距、大功率、长寿命与高可靠性方向发展。

相应地，对高性能刮板输送机元部件的研发提出了更高的要求。

另外，中小煤矿更多的中小型刮板输送机也存在技术升级和改造问题。

刮板输送机的中部槽是物料的承载部分，运行过程中承受煤、刮板和链条的剧烈摩擦，是使用量和消耗量最大的部件。

中部槽的质量占刮板输送机总质量的70% 以上，刮板输送机的失效，也多由中部槽的过度磨损或断裂引起，所以，中部槽的使用寿命是衡量整机寿命的重要指标。

中部槽除运煤外，还要承受采煤机的运行负荷，推、拉液压支架的侧向力和纵向力，大块煤、岩石卡死在槽中时的挤压、冲击力等。

以上恶劣工况，造成中部槽的损坏形式除磨损外，还有槽体的变形和连接件的损坏。

因此，中部槽应具有足够的强度、刚度和耐磨性。

为了提高中部槽的使用寿命，满足刮板输送机的使用要求，在一个工作面工作过程中无大修，国内外主要生产商对中部槽的结构型式、材料选用、加工工艺和耐磨处理等方面进行了大量的研究。

下面北京固本科技有限公司将从上述几方面对国内外刮板输送机中部槽的研究现状进行分析，并对下一步发展趋势作展望，为大型刮板输送机的研发和现有机型的改造升级提供参考。

1 研究现状
1.1 结构型式
中部槽由槽帮和中板焊接而成。

为减小刮板链返程的阻力，或在底板松软条件下使用时防止槽体下陷，在槽帮下加焊底板构成封底槽。

中部槽的形式已标准化，目前有单链、双边链和中双链3 种形式。

中部槽的长度根据支架宽度而定，1.5 m 和1.75 m 的居多，目前DBT 已有2 m 长中部槽应用；宽度根据产量和链速共同确定，最宽已达1.4 m。

槽帮钢有 D 形、E 形和M 形 3 种[2]。

E 形与M形相比，不仅因中板宽度减小而增大了刚度，还增强了中板与槽帮钢的焊缝强度，便于焊接，链子不磨焊缝。

目前，大型刮板输送机采用E 形中双链结构中部槽的较多。

德国某公司通过对不同断面中部槽的井下试验表明，与E 形断面槽帮相比，弧形断面槽帮使刮板与槽帮内侧面直接接触面积更大，刮板输送机水平或垂直弯曲时的接触压力小，从而减小了摩擦阻力，降低了功耗，延长了寿命。

为了减少联接螺栓数量，增加可靠性，减少设备安装时的劳动量，可采用铸焊结合式中部槽。

该结构将一侧的槽帮、铲煤板与另一侧槽帮、封底板，各铸造成一个整体，并与中板焊接成一个整体。

1.2 材料
中部槽在工作过程中要承受压、拉、弯曲、冲击、振动、摩擦和腐蚀等作用，对材料的强度和耐磨性提出了很高要求。

中部槽是刮板输送机磨损最严重的部件，据不完全统计，我国每年因磨损而失效的中部槽达数十万节，造成了资源的浪费，并严重影响了生产，因设计强度不够或制造缺陷造成中部槽断裂的现象也时有发生。

目前中部槽采用的材料多是高锰钢，特点是高碳、高锰，强度及耐磨综合性能较好，主要有16Mn和ZG30SiMn 2 种。

研究表明，以40Mn2 冷轧钢板替代16Mn 钢，磨损犁沟细而浅，没有黏着磨损，显著提高了耐磨性，延长了中部槽的使用寿命；采用TNZ 球墨铸铁，在等温淬火工艺下可以得到较好的综合力学性能，耐磨性较16Mn 和ZG30SiMn 钢有很大提高[3]。

1.3 加工工艺
中部槽的加工量主要集中在槽帮钢的制造及槽帮与中板和封底板的连接上。

传统工艺槽帮钢多采用轧制工艺。

除了轻型刮板输送机的中单链型采用冷轧槽帮钢外，其他都用热轧槽帮钢制成。

分体轧制槽帮较普通轧制槽帮规格大，但中部槽的焊接工艺复杂，焊接工作量大，易变形。

槽帮采用轧制钢材，表面比铸造钢材平滑，摩擦小。

从发展情况来看，铸造槽帮越来越显示出优势。

整体铸造槽帮中部槽端头成为铸造槽帮的一部分，可以采用强度更高的联接件，实现无螺栓联接，槽间定位准确。

目前已发展出全铸无焊中部槽，采用特殊的真空铸造技术，材料选用高强度耐磨焊丝KB-968，外观结构上广泛采用弧形和圆滑过渡，有效避免刮板的碰卡现象，并且刮板与槽帮内侧面之间接触面积大，接触压力小，材质中加入润滑成分，有效减小了摩擦。

通过对寿命达到极限的中部槽回收再冶炼，可以实现循环利用。

焊接占其焊接工作量的80% 以上。

因此，提高槽帮与中板及封底板的焊接效率和焊缝质量，直接影响到刮板输送机的整体制造效率和焊缝质量。

采用传统手工半自动CO2 气体保护焊，焊缝不美观，效率低，质量不易保证。

KB968耐磨焊丝采用龙门式TANDEM 双丝焊工艺，效率较手工半自动CO2 单丝焊提高6 倍，且焊缝外观及整体质量得到提高。

1.4 耐磨处理
由于链条、刮板及煤流的作用，中部槽磨损很快，主要表现在中板及槽帮的磨损，以及采煤机沿中部槽移动所造成的槽帮上部的磨损。

采煤机前进而向煤壁方向移动产生的水平方向弯曲，及底板不平产生的上下弯曲，均加重了槽帮和中板边缘处的磨损。

从摩擦学系统的角度，将中部槽的磨损失效过程看做摩擦能量的相互转化过程。

工作过程中，刮板、链与中部槽产生摩擦，能量损失分为表层和亚表层变形能量、内能的变化形成的热量和表面能的增加，各部分所占比重与井下工况条件和磨损类型(磨料磨损、黏着磨损和腐蚀磨损) 有关。

刮板在中板的链道位置，特别是两节槽的结合处磨损最快，是中部槽报废的主要原因。

目前，提高中部槽耐磨性的相应措施有以下几种。

(1) 采用高强度耐磨钢。

研究表明，高锰钢的强度和耐磨性等综合性能较好。

(2) 在链道处按一定花样堆焊耐磨和耐蚀合金，使刮板和链条在焊缝上滑动，脱离与中板母体的直接接触。

(3) 在链道处采用深层渗硼处理，不但提高了表面强度和硬度，而且具有良好的红硬性和较好的耐蚀性能。

(4) 应用新型材料。

对轻型刮板输送机，采用MC 尼龙中部槽；重型刮板输送机，采用钢塑复合的方法，用超高分子量聚乙烯作为衬里，提高大型机的耐磨性，延长使用寿命，同时降低摩擦系数。

(5) 安装和操作过程中，使各节中部槽尽可能平整。

1.5 价值工程
价值工程的基本原理是以最低的寿命周期成本，可靠地实现产品或服务的必要功能，从而提高产品或服务的价值。

针对中部槽的磨损问题进行分析，中部槽中板过早磨损，槽帮则处于比较完好的状况，即中板和槽帮没有达到同等使用寿命，中部槽的价值没有完全发挥出来，可采用下述2 种方法改进。

(1) 等寿命提高中板耐磨性能，使中板和槽帮在满足使用寿命要求的前提下同时报废，除了上述耐磨措施外，还可采用在中板上部增加耐磨板的方法。

(2) 永寿命应用等离子溶覆合金强化技术，对中部槽本体进行保护，从而实现刮板在同一工作面中无损坏，对磨损后的刮板可修复，即“永不磨损”。

1.6 优化设计
中部槽的工况比较恶劣，受力状况比较复杂，为了满足强度要求，往往采用大裕量设计，造成资源的浪费。

当前，应用较多和成熟的是尺寸优化和形状优化，将基于有限元分析技术的拓扑优化方法引入到中部槽的设计中，采用针对连续体的均匀化拓扑优化方法，对某型刮板输送机的中部槽在推溜和拉架 2 种工况下进行了拓扑优化。

新的模型质量减少5.3%，满足强度要求，且应力分布更加均匀，为中部槽的优化设计提供了新思路。

2 发展趋势
刮板输送机的结构，从诞生起至今未有大的改动，且与采煤机、液压支架已形成了成熟的配套体系，在未来很长一段时间内不会有大的改动。

发展方向和研究重点将集中在以下几方面。

(1) 大型化中部槽的规格将随着刮板输送机的运力增大和配套设备的大型化而相应增大。

(2) 高可靠性随着一井一面高产高效集约化矿井的不断涌现，可靠性对生产的影响日益突出，作为刮板输送机的关键环节和多故障部位，中部槽的可靠性研究愈发重要。

以价值工程为导向，研究中部槽强度和耐磨性能。

(3) 效率刮板链质量较大，刮板与中板摩擦向前推进，物料也通过刮板的推动作用向前推进，使得电动机30% 多的功率浪费在空载运行上。

应研究如何降低中部槽的摩擦系数，减小运行阻力，降低空载功率，提高运煤的有效功率。

(4) 加工自动化自动化生产有助于提高产品质量和生产效率，增强产品市场竞争力。

要结合中部槽结构特点，将先进的生产工艺(如所述的焊接技术)、缺陷自动检测等运用到中部槽的生产中。

3 结语
中部槽的研究是涉及到结构设计、强度理论、摩擦学、材料学、优化设计理论、价值工程等学科和理论的综合性系统工程，其发展和煤矿的需求及基础工业的不断进步密切相关。

北京固本科技为满足工作面设备连续运行，应从提高运行效率、增强可靠性等方面加强对中部槽的研究。