CN114909132A - 一种填充微织构采煤机导向滑靴及微织构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种在微织构的凹坑中填充具有较好润滑性且具有高强度的石墨烯材料的采煤机导向滑靴，基于石墨烯润滑和微织构减摩抗磨耦合作用下根本上改善采煤机导向滑靴摩擦性能，本发明目的是为了解决解决采煤机导向滑靴易磨损问题；本发明综合利用微织构的优异摩擦学性能，并结合石墨烯新材料的抗磨润滑性提高采煤机导向滑靴的抗摩擦磨损性能，并且提供了填充微织构采煤机导向滑靴的微织构的具体设计方法；本发明成果对于开发耐磨损、长寿命的滑靴具有重要的理论意义和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及综采设备技术领域，具体涉及一种填充微织构采煤机导向滑靴及微织构的设计方法。
背景技术
采煤机导向滑靴主要起到支撑采煤机及导向的作用，采煤机导向滑靴与销排之间是干摩擦且在灰尘、碎石、砂砾等影响下其实际工况十分恶劣。因此采煤机导向滑靴是采煤机中易失效的部件之一，其失效形式以采煤机导向滑靴摩擦磨损失效为主。研究发现平均每开采100万吨原煤就需要对采煤机导向滑靴进行修复或更换。因为井下条件恶劣且空间及工作条件有限，使采煤机导向滑靴的维修、拆装、更换非常困难且工作量大，导致滑靴损坏后修复、更换成本巨大且严重影响煤矿生产效率，给煤矿带来了巨大的经济损失。传统解决采煤机导向滑靴易磨损的方法是在滑靴接触表面堆焊或熔覆一层耐磨材料，但该方法效果不佳，难以满足现实需求。
微织构是通过机械加工、化学或物理的特定方法在摩擦副表面按照人们的意愿加工出具有特定形状和尺寸及特殊排列方式的微形状。微织构能够改变摩擦副表面形态及接触角大小进而改善接触状态或润滑效果，且微织构能够起到改变材料表面润湿性，可以储存磨粒、减小接触面积等作用。
本发明提出一种在微织构的凹坑中填充具有较好润滑性且具有高强度的石墨烯材料的采煤机导向滑靴，基于石墨烯润滑和微织构减摩抗磨耦合作用下根本上改善采煤机导向滑靴摩擦性能。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种能够改善采煤机导向滑靴摩擦磨损性能的填充微织构采煤机导向滑靴及微织构设计方法。本发明是综合利用微织构的优越摩擦学性能并结合石墨烯新材料的抗磨润滑性提高采煤机导向滑靴的抗摩擦磨损性能，并提供了填充微织构采煤机导向滑靴的微织构设计方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一方面，本发明提供一种填充微织构采煤机导向滑靴，包括：采煤机导向滑靴基体，所述采煤机导向滑靴基体于销排接触的上、下、左、右表面加工布置出圆形的微织构凹坑。每个采煤机导向滑靴的微织构行与行之间交替排列。在圆形微织构凹坑中填充有添加了环氧树脂的石墨烯填充体，并设定圆柱体织构凹坑胞体的具体结构。
作为本发明优选的，所述石墨烯与采煤机导向滑靴基体通过环氧树脂紧密粘接到一起。
作为本发明优选的，所述圆柱体织构凹坑胞体的直径为d，凹坑深度为h，圆柱体织构凹坑胞体的横向和纵向间距分别为l和b。
另一方面，本发明还提供一种填充微织构采煤机导向滑靴的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、采用Workbench软件设计微织构凹坑胞体的参数d、h、l、b；
步骤2、在采煤机导向滑靴的上接触表面的任意位置提取一边长为10mm×10mm×10mm的正方体作为分析对象试样，利用Workbench软件中自带的DesignModeler模块绘制采煤机导向滑靴的基体，并在导向滑靴基体与销排的接触表面绘制出圆柱体凹坑微织构，并在DesignModeler模块中标记微织构凹坑胞体的参数d、h、l、b为设计变量；
步骤3、在微织构的凹坑胞体中绘制对应大小的圆柱体用于模拟填充的石墨烯填充材料，模拟石墨烯的圆柱体的尺寸参数与微织构凹坑胞体的参数变化一致；另外绘制一刚性的长方体并与微织构试样的填充微织构表面接触构成构成摩擦副；
步骤4、利用Workbench中显示动力学模块分析微织构对象的摩擦性能；依据导向滑靴基体、销排及石墨烯的实际材料属性对模型中的相应结构赋予材料属性，并定义模拟销排的长方体结构为刚性体，其余结构为柔性体；分别定义模拟销排的长方体结构与导向滑靴基体的摩擦系数、模拟销排的长方体结构与石墨烯填充体的摩擦系数；在微织构分析对象的上表面施加100MPa压力载荷，对微织构分析对象施加5m/min的速度载荷，在模拟销排的长方体结构底面施加固定约束；分析微织构对象与模拟销排的长方体结构之间的摩擦力大小，并将该摩擦力f定义为输出目标函数；
步骤5、采用正交实验方式以d、h、l、b作为研究因素，以摩擦力最小作为研究目标，将各因素划分为四水平并通过上述的仿真分析方法依次对四因素四水平的各种正交实验组合情况进行仿真分析确定各种情况的摩擦力。再通过极差分析确定摩擦力最小的d、h、l、 b组合方案，确定填充微织构采煤机导向滑靴微织构的具体参数。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供的一种能够改善采煤机导向滑靴摩擦磨损性能的填充微织构采煤机导向滑靴及微织构设计方法，该发明属于综合利用微织构的优异摩擦学性能，提供一种在微织构的凹坑中填充具有较好润滑性且具有高强度的石墨烯材料，并结合石墨烯新材料的抗磨润滑性提高采煤机导向滑靴的抗摩擦磨损性能，提供了填充微织构采煤机导向滑靴的微织构设计方法；本发明成果对于开发耐磨损、长寿命的滑靴具有重要的理论意义和应用价值。
附图说明
图1为填充微织构采煤机导向滑靴组成及结构。
图2为微织构试样及结构参数。
图3为填充微织构采煤机导向滑靴摩擦仿真分析原理图。
图中，1、采煤机导向滑靴基体；2、表面加工微织构凹坑；3、石墨烯填充体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种填充微织构采煤机导向滑靴，如图1所示，包括：采煤机导向滑靴基体(1)、所述采煤机导向滑靴基体与销排接触的上、下、左、右表面加工布置出圆形的微织构凹坑(2)、每个采煤机导向滑靴的微织构行与行之间交替排列；在圆形微织构凹坑中填充有添加了环氧树脂的石墨烯填充体(3)、通过环氧树脂将石墨烯与采煤机导向滑靴基体紧密粘接到一起得到填充微织构采煤机导向滑靴(4)。
采用Workbench软件设计微织构凹坑胞体的参数；首先在采煤机导向滑靴的上接触表面的任意位置提取一边长为10mm×10mm×10mm的正方体作为分析对象试样；利用Workbench软件中自带的DesignModeler模块绘制正方体分析对象，并在正方体的一个表面绘制出圆柱体凹坑微织构，在DesignModeler模块中标记微织构凹坑胞体的直径为d，凹坑深度为h，圆柱体织构凹坑胞体的横向和纵向间距分别为l和b，如图2所示。
在微织构的凹坑胞体中绘制对应大小的圆柱体用于模拟填充的石墨烯填充材料，模拟石墨烯的圆柱体的尺寸参数与微织构凹坑胞体的参数变化一致。
另外绘制一刚性的长方体并与微织构试样的填充微织构表面接触构成摩擦副，如图3所示，1为微织构正方体分析试样、2为石墨烯填充体、3为模拟销排的刚性长方体模拟试样；利用Workbench中显示动力学模块分析微织构对象的摩擦性能；依据导向滑靴基体、销排及石墨烯的实际材料属性对模型中的相应结构赋予材料属性，并定义模拟销排的长方体试样3为刚性体，其余结构为柔性体；分别定义模拟销排的长方体试样3与模拟导向滑靴基体的微织构正方体分析试样1的摩擦系数，定义模拟销排的长方体试样3与石墨烯填充体2的摩擦系数；如图3中所示在微织构正方体分析对象1的上表面施加压力载荷，大小为100MPa；对微织构正方体分析对象1的背部侧面施加5m/min的速度载荷，方向平行于长方体上表面，在模拟销排的刚性长方体模拟试样3的底面施加固定约束；利用Workbench软件分析计算填充微织构分析对象与模拟销排的刚性长方体模拟试样3之间的摩擦力大小，并将该摩擦力f定义为输出目标函数。
设计微织构参数时研究的参数有微织构凹坑胞体的直径为d，凹坑深度为h，圆柱体织构凹坑胞体的横向和纵向间距分别为l和b。采用正交实验方式以d、h、l、b作为研究因素，以微织构对象与模拟销排的长方体结构之间的摩擦力作为研究目标；并通过上述的仿真分析方法依次对四因素四水平的各种正交实验组合情况进行仿真分析确定各种情况的摩擦力。
各因素的研究范围为：d：0.05mm~0.2mm、h：1mm~4mm、l：0.2mm~0.8mm、b：0.2mm~0.8mm；将各因素划分为四个水平，如表一中因素d在水平“1”时的值为0.05mm，水平“2”时的值为0.1mm，该因素其他水平及其他因素各水平值如表一种所示。采用正交实验表构建四个研究因素的不同水平的组合情况如表二所示，以表二中实验号“1”为例，因素d的水平为“1”、因素h的水平为“1”、因素l的水平为“1”、因素b的水平为“1”。
采用如图3所示建立的仿真模型，依次按照表二中各实验号的因素水平值修改微
织构凹坑的参数再利用Workbench软件进行仿真分析获得不同实验号的摩擦力f i， i表示第i
号试验；根据表二获得的各种组合的仿真摩擦力fi数值采用极差分析方式确定各因素在不
同水平时的摩擦力均值，如表三所示；根据表三计算结果选取各因素不同水平下的摩擦力
均值的最小值的组合为最优设计方案，如因素d、h、l、b中各水平的最小均值为
，则填充微织构采煤机导向滑靴微织构参数的最优设计方案为（d 3、h 2、l 1、b 2）。
需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
表一正交实验因素水平分布表
表二正交实验方案表
表三各因素各水平均值表
Claims (7)
1.一种填充微织构采煤机导向滑靴，其特征在于：包括采煤机导向滑靴基体(1)、采煤机导向滑靴基体表面加工的微织构凹坑(2)、和填在圆形微织构凹坑中填充有添加了环氧树脂的石墨烯填充体(3)：所述采煤机导向滑靴基体与销排接触的上、下、左、右表面加工布置出圆形的微织构凹坑；每个采煤机导向滑靴的微织构行与行之间交替排列；在圆形微织构凹坑中填充有添加了环氧树脂的石墨烯填充体。
2.根据权利要求1所述的一种填充微织构采煤机导向滑靴，其特征在于：所述石墨烯与采煤机导向滑靴基体通过环氧树脂紧密粘接到一起。
3.根据权利要求1所述的一种具有填充微织构的采煤机导向滑靴，其特征在于：所述圆柱体织构凹坑胞体的直径为d，凹坑深度为h，圆柱体织构凹坑胞体的横向和纵向间距分别为l和b。
4.一种填充微织构采煤机导向滑靴的设计方法，采用权利要求1所述的填充微织构采煤机导向滑靴进行具体设计，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、采用Workbench软件设计微织构凹坑胞体的参数d、h、l、b；
步骤2、在采煤机导向滑靴的上接触表面的任意位置提取一边长为10mm×10mm×10mm的正方体作为分析对象试样；利用Workbench软件中自带的DesignModeler模块绘制采煤机导向滑靴的基体，并在导向滑靴基体与销排的接触表面绘制出圆柱体凹坑微织构，并在DesignModeler模块中标记微织构凹坑胞体的参数d、h、l、b为设计变量；
步骤3、在微织构的凹坑胞体中绘制对应大小的圆柱体用于模拟填充的石墨烯填充材料，模拟石墨烯的圆柱体的尺寸参数与微织构凹坑胞体的参数变化一致；另外绘制一刚性的长方体并与微织构试样的填充微织构表面接触构成构成摩擦副；
步骤4、利用Workbench中显示动力学模块分析微织构对象的摩擦性能；
分析微织构对象与模拟销排的长方体结构之间的摩擦力大小，并将该摩擦力f定义为输出目标函数；
步骤5、采用正交实验方式以d、h、l、b作为研究因素，以摩擦力最小作为研究目标，将各因素划分为四水平并通过上述的仿真分析方法依次对四因素四水平的各种正交实验组合情况进行仿真分析确定各种情况的摩擦力；再通过极差分析确定摩擦力最小的d、h、l、b组合方案，确定填充微织构采煤机导向滑靴微织构的具体参数。
5.根据权利要求4所述的填充微织构采煤机导向滑靴的设计方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：利用Workbench中显示动力学模块分析微织构对象的摩擦性能；依据导向滑靴基体、销排及石墨烯的实际材料属性对模型中的相应结构赋予材料属性，并定义模拟销排的长方体结构为刚性体，其余结构为柔性体；分别定义模拟销排的长方体结构与导向滑靴基体的摩擦系数、模拟销排的长方体结构与石墨烯填充体的摩擦系数；在微织构分析对象的上表面施加100MPa压力载荷，对微织构分析对象施加5m/min的速度载荷，在模拟销排的长方体结构底面施加固定约束；分析微织构对象与模拟销排的长方体结构之间的摩擦力大小，并将该摩擦力f定义为输出目标函数。
6.根据权利要求4所述的填充微织构采煤机导向滑靴的设计方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：设定各因素的研究范围为：d：0.05mm~0.2mm、h：1mm~4mm、l：0.2mm~0.8mm、b：0.2mm~0.8mm；将各因素划分为四个水平，采用正交实验表构建四个研究因素的不同水平的组合情况。
7.根据权利要求4所述的填充微织构采煤机导向滑靴的设计方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：采用所建立的仿真模型，依次各因素水平值修改微织构凹坑的参数再利用Workbench软件进行仿真分析获得不同实验号的摩擦力f i， i表示第i号试验；根据计算结果选取各因素不同水平下的摩擦力均值的最小值的组合为最优设计方案，如因素d、h、l、b中各水平的最小均值为
，则填充微织构采煤机导向滑靴微织构参数的最优设计方案为（d 3、h 2、l 1、b 2）。
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|---|---|---|---|---|
| CN116221050A (zh) * | 2023-03-07 | 2023-06-06 | 华侨大学 | 一种表面自润滑的滑靴及其制备方法及滑靴副 |
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