基于ANSYS的礦用刮板輸送機鏈輪與鏈環(huán)嚙合特性分析

楊志懷

（山西省壽陽縣解愁鄉(xiāng)榮家溝麥捷煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

0 引 言

隨著國家的快速發(fā)展，能源消耗的逐年增加，目前已加大了對煤礦的開采力度。刮板輸送機作為煤礦開采中的重要設(shè)備，保證其具有高效率、高可靠性、高穩(wěn)定性等，已成為提高煤礦開采效率和井下作業(yè)安全的重點內(nèi)容。鏈輪和鏈條作為刮板輸送機中的重要部件，由于井下環(huán)境的惡劣性，加上部件之間的維護保養(yǎng)不當，導(dǎo)致該些部件工作過程中經(jīng)常出現(xiàn)各類故障問題，嚴重影響著刮板輸送機的工作效率。降低鏈輪與鏈條的故障率，提高其結(jié)構(gòu)性能，已成為當下急需解決的問題。因此，結(jié)合工程實際，通過對鏈輪與鏈條主要故障現(xiàn)象進行分析，采用SOLIDWORKS和ANSYS軟件，建立鏈輪與鏈條的仿真模型，開展了兩部件之間的嚙合特性分析，找到了兩部件嚙合過程中的薄弱位置，掌握了兩部件運行過程中嚙合規(guī)律，由此，提出降低兩部件嚙合故障的主要措施。該研究對降低兩部件的故障概率和提高刮板輸送機的工作效率具有重要意義，可為煤礦企業(yè)及現(xiàn)場操作人員提供參考。

1 鏈傳動系統(tǒng)主要故障分析

1.1 鏈輪故障分析

鏈輪作為刮板輸送機中的重要部件，其運動過程中，由于刮板輸送機經(jīng)常處于超長時間作業(yè)，加上受載的不均勻和井下煤灰掉入鏈輪嚙合處，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)頻頻發(fā)生各類故障事故。通過對某煤礦中單臺鏈輪的故障數(shù)進行初步統(tǒng)計，鏈輪的故障主要表現(xiàn)為鏈輪與鏈條嚙合接觸潤滑不良，軸承因受載過大且潤滑不良而出現(xiàn)轉(zhuǎn)動異常故障、浮動密封圈長時間運行而出現(xiàn)失效故障、鏈輪齒套連接螺栓因受載過大而出現(xiàn)疲勞斷裂等類型，其對應(yīng)的故障概率如圖1所示。鏈輪故障的發(fā)生，將直接導(dǎo)致鏈輪發(fā)生磨損嚴重、斷裂的風(fēng)險，最終導(dǎo)致刮板輸送機無法正常運轉(zhuǎn)，若更好不及時，將可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此，需采用有效措施來降低鏈輪故障的發(fā)生。

圖1 鏈輪故障類型比例分布圖

1.2 鏈條故障模式分析

鏈條作為刮板輸送機中與鏈輪同等重要的部件，其運動過程主要與鏈輪進行嚙合接觸，主要表現(xiàn)為卡鏈、斷裂等類型，鏈條斷裂故障實物圖如圖2所示，其發(fā)生的故障類型及頻率也相對較高。分析其故障發(fā)生原因主要包括：①鏈條作業(yè)過程中，井中的煤灰或煤石會不適的掉入到鏈條與鏈輪接觸位置，導(dǎo)致鏈條發(fā)生較大的磨損甚至斷裂現(xiàn)象；②鏈條在生產(chǎn)過程中，由于加工工藝或材料的控制不當，導(dǎo)致鏈條的結(jié)構(gòu)強度和剛度無法滿足井下特殊的工作環(huán)境，最終在超負荷、超長時間等惡劣環(huán)境下，發(fā)生了結(jié)構(gòu)變形或斷裂的故障；③由于刮板輸送機經(jīng)常處于不同大小載荷交替變化、受力過大等情況，導(dǎo)致鏈條的受力不均勻而出現(xiàn)了疲勞破壞現(xiàn)象；④鏈條與鏈輪的長時間接觸摩擦，導(dǎo)致其表面出現(xiàn)了嚴重的磨損現(xiàn)象，當達到其疲勞極限時，發(fā)生了結(jié)構(gòu)斷裂故障；⑤其他部件的故障失效，也會間接影響著鏈條的使用性能。因此，需采用有效措施來降低鏈條故障的發(fā)生。

圖2 鏈條結(jié)構(gòu)斷裂圖

2 鏈輪與鏈環(huán)嚙合模型建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)前文對鏈輪與鏈條故障的初步分析，有效掌握兩部件嚙合接觸階段的結(jié)構(gòu)特性，對提高刮板輸送機的整機性能至關(guān)重要。因此，結(jié)合鏈輪與鏈條的結(jié)構(gòu)尺寸，采用SOLIDWORKS軟件，建立了鏈輪與鏈條接觸的三維模型；同時，由于鏈輪主要通過中部的鏈窩結(jié)構(gòu)，對鏈條進行轉(zhuǎn)動驅(qū)動，因此，在建模中，對鏈輪鏈窩中的過渡圓弧及倒角、鏈條上的焊縫結(jié)構(gòu)等特征進行了結(jié)構(gòu)損壞簡化，以此提高模型的分析精度和速度，從而，建立了鏈輪與鏈條的三維模型，如圖3所示。

圖3 鏈輪與鏈條的三維模型

2.2 仿真模型建立

結(jié)合工程實際經(jīng)驗，鏈輪與鏈條屬于主要受力部件，其材料一般需具有較強的結(jié)構(gòu)強度。因此，在ANSYS軟件，選用了40Cr材料作為鏈輪與鏈條的結(jié)構(gòu)材料，其材料的主要性能參數(shù)如表1所示。同時，考慮到計模型的計算時間和分析精度問題，對鏈輪和鏈條進行了不同類型的網(wǎng)格劃分，其中，鏈條采用四面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為12mm，而鏈條則采用六面體網(wǎng)格類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為10mm，兩部件的網(wǎng)格劃分圖如圖4所示。另外，考慮到鏈輪與鏈條接觸之間可能發(fā)生彈性變形，因此，將兩部件之間進行了面面接觸，并對鏈條中心軸孔處進行了旋轉(zhuǎn)約束，同時施加旋轉(zhuǎn)力矩，建立了鏈輪與鏈條的嚙合仿真模型。

表1 40Cr材料主要性能參數(shù)

圖4 鏈輪與鏈條網(wǎng)格劃分圖

3 部件嚙合特性分析

結(jié)合前文建立的仿真模型，得到了鏈輪與鏈條的嚙合應(yīng)力變化圖，如圖5所示。由圖可知，兩部件上均出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，整個鏈條上的中部鏈條及水平鏈條上，應(yīng)力分布相對較高，而鏈輪的鏈齒及鏈窩處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，但相對更小，另外，鏈輪的齒根部位也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析其原因為：由于鏈輪與鏈條之間的接觸作用，導(dǎo)致該些部位的受力相對較高，且鏈條受力后，會對鏈條上鏈齒進行兩邊擠壓，最終導(dǎo)致了兩部件出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。若出現(xiàn)較大外界作用力、超長時間運行、潤滑不及時等現(xiàn)象，極可能導(dǎo)致該些部位發(fā)生結(jié)構(gòu)變形斷裂故障，嚴重影響刮板輸送機的工作效率。

圖5 鏈輪與鏈條嚙合應(yīng)力變化圖

4 降低鏈輪與鏈條嚙合故障的主要措施

結(jié)合前文的故障分析及仿真分析結(jié)構(gòu)，找到了鏈輪與鏈條兩部件主要故障類型及嚙合特性原理，因此，提出了一些降低鏈輪與鏈條嚙合故障的主要措施，具體如下：

1）在部件設(shè)計生產(chǎn)過程中，在滿足一定剛度要求條件下，采用更高結(jié)構(gòu)強度的材料作為鏈輪和鏈條的結(jié)構(gòu)材料，同時，對增加部件上應(yīng)力集中處的過渡圓弧半徑，適當增加材料的的厚度，并對材料進行調(diào)質(zhì)或淬火處理，以此來提高部件的結(jié)構(gòu)性能；

2）當鏈輪與鏈條瞬間啟動或出現(xiàn)卡鏈時，會產(chǎn)生更高的作用力，此過程更容易導(dǎo)致兩部件發(fā)生故障失效現(xiàn)象；針對此問題，可通過降低啟動瞬間的驅(qū)動力輸出，并對部件進行定期檢查，保證其不發(fā)生卡鏈現(xiàn)象，以此來提高部件的可靠性；

3）增加鏈輪上鏈窩的寬度、減小鏈齒豎直傾斜度，當鏈條受到較大作用力時，可更好的將作用力分布在鏈齒和鏈輪根部圓盤上，大大降低了鏈輪鏈齒及齒根部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

4）當鏈輪與鏈條之間發(fā)生嚴重磨損時，應(yīng)及時檢查兩部件的磨損情況，當發(fā)生有嚴重磨損或結(jié)構(gòu)斷裂故障時，應(yīng)及時對部件進行更換處理；

5）加強對鏈輪與鏈條之間的嚙合處進行雜物清理及潤滑性能檢查，當發(fā)現(xiàn)有較多煤石、潤滑油較少時，應(yīng)采用煤石清理及添加潤滑油等措施，以此來減小兩部件之間因摩擦過大而出現(xiàn)的磨損嚴重故障現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

降低鏈輪與鏈條的故障率，已成為當下煤礦企業(yè)重點關(guān)注問題。因此，結(jié)合工程實際，分析了刮板輸送機中鏈輪與鏈條運行過程中出現(xiàn)的主要故障現(xiàn)象，以此為基礎(chǔ)，采用SOLIDWORKS和ANSYS軟件，通過建立鏈輪與鏈條的仿真模型，開展了兩部件之間的嚙合特性分析，結(jié)果表明：鏈輪的鏈窩、鏈齒、齒根和嚙合處的鏈條等部位均出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)相對薄弱，在使用中極可能率先出現(xiàn)結(jié)果變形、斷裂等故障現(xiàn)象，由此，提出降低兩部件嚙合故障的主要措施，此措施可為煤礦企業(yè)及現(xiàn)場操作人員提供重要的參考。通過該研究，掌握刮板輸送機鏈輪與鏈條的嚙合規(guī)律，對降低兩部件的故障概率和提高刮板輸送機的工作效率具有重要的現(xiàn)實意義。