張鵬舉
(陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司一礦,山西 陽(yáng)泉045000)
礦用刮板輸送機(jī)作為煤礦運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備,由于其經(jīng)常會(huì)因使用環(huán)境的惡劣、超負(fù)載運(yùn)行以及超長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)而出現(xiàn)鏈輪、鏈條打滑、開(kāi)裂及斷裂、電機(jī)燒壞等現(xiàn)象。由于鏈輪是刮板機(jī)上的關(guān)鍵部件,優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能,減少其結(jié)構(gòu)的故障失效現(xiàn)象,對(duì)提高設(shè)備的工作效率和煤礦產(chǎn)量至關(guān)重要[1]。因此,結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的有限元分析技術(shù),通過(guò)理論分析方法,對(duì)SGZ800/800型刮板輸送機(jī)上鏈輪的結(jié)構(gòu)性能分析研究。
礦用刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)主要由機(jī)頭、機(jī)尾、動(dòng)力部、尾部過(guò)渡槽、墊架等部件組成,通過(guò)各部件的相互配合,可實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤工作面中煤礦的運(yùn)輸、裝載、卸載等操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的清理及運(yùn)輸作用。傳動(dòng)方向?yàn)椋和ㄟ^(guò)液力耦合器和減速器的相互配合,將動(dòng)力傳遞至鏈輪組合件上,由此帶動(dòng)刮板鏈進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的運(yùn)轉(zhuǎn)作用[2]。
鏈輪作為刮板輸送機(jī)上的關(guān)鍵部件,在其工作運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、輪齒壓潰、輪齒開(kāi)裂或斷裂等失效現(xiàn)象。其中,鏈輪的磨損主要是鏈輪表面的疲勞磨損和磨粒磨損,由于鏈輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,會(huì)受到較大的外部接觸壓力,并作用在鏈輪的表面,隨著循環(huán)力的不斷深入,裂紋將逐步向鏈輪內(nèi)部進(jìn)行移動(dòng),最終使得零件表面發(fā)生凹坑現(xiàn)象,形成了鏈輪的疲勞磨損失效。磨粒磨損則主要是由于外部的較多雜質(zhì)夾雜在鏈輪與鏈條的受力接觸面中,雜質(zhì)被擠到鏈窩表面內(nèi),在較大的外界拉力作用下,會(huì)使得接觸面發(fā)生較大的相互摩擦作用,最終造成鏈輪出現(xiàn)磨粒磨損失效現(xiàn)象[3]。另外,鏈輪的壓潰失效主要是由于鏈輪在生產(chǎn)過(guò)程中未按標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn),省略了必要的工序,或選用了不合格材料等引起,加上鏈輪長(zhǎng)時(shí)間受到較大的載荷作用,特別是設(shè)備的過(guò)載啟動(dòng)瞬間,導(dǎo)致鏈輪發(fā)生了不同程度的塑形變形現(xiàn)象,進(jìn)而使鏈輪出現(xiàn)了穩(wěn)定磨損現(xiàn)象[4]。鏈輪的失效圖如圖1所示。
圖1 鏈輪斷裂失效圖
結(jié)合SGZ800/800型刮板輸送機(jī)的零部件特點(diǎn),采用SolidWorks軟件,對(duì)設(shè)備中的鏈輪和鏈條進(jìn)行了三維模型建立。經(jīng)查閱資料,可知鏈輪的外徑為253 mm,力環(huán)槽直徑為164 mm,齒厚為46 mm,齒數(shù)為7,鏈輪關(guān)鍵尺寸如下頁(yè)表1所示,鏈條為標(biāo)準(zhǔn)成熟件,其尺寸與鏈輪輪齒相匹配。為減少鏈輪和鏈條上非關(guān)鍵圓弧及過(guò)渡圓角對(duì)整個(gè)結(jié)果的分析精度,提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,在模型建立過(guò)程中,對(duì)鏈輪和鏈條進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化,僅保留了零件上的關(guān)鍵特征,并對(duì)鏈輪上的定位銷(xiāo)孔也進(jìn)行了特征簡(jiǎn)化,由此,完成了刮板輸送機(jī)鏈輪與鏈條的三維模型,如下頁(yè)圖2所示。
經(jīng)查閱資料,鏈條采用的是23MnCrNiMo材料,鏈輪采用的是30GrMnTi材料,兩種零件具有相近的材料性能[5],其主要性能參數(shù)如下頁(yè)表2所示。采用此材料在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性形變,零件之間的磨損程度會(huì)相對(duì)較小。故在模型建立過(guò)程中,將對(duì)兩種零件進(jìn)行此種材料設(shè)置。
表1 鏈輪關(guān)鍵尺寸表
圖2 鏈輪與鏈條三維模型圖
表2 鏈輪和鏈條材料主要性能參數(shù)
結(jié)合建立的鏈輪與鏈條三維模型,將其倒入ABAQUS軟件中,進(jìn)行了仿真模型建立。在軟件中,采用了布爾運(yùn)行,對(duì)模型進(jìn)行了切割劃分,并對(duì)模型進(jìn)行了四面體網(wǎng)格自動(dòng)切割,網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm。由于鏈窩、輪齒、圓環(huán)鏈等接觸部位為受力關(guān)鍵部位,故對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理,網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm。鏈輪與鏈條的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。由于鏈輪與鏈條之間存在一定摩擦接觸,在軟件中設(shè)置了靜摩擦系數(shù)為0.3,動(dòng)摩擦系數(shù)0.2,并將鏈條上的拉力設(shè)置為8 kN,仿真時(shí)間為0.12 s,鍵槽處設(shè)置為固定約束。由此,完成了鏈輪與鏈條的仿真模型建立。
圖3 鏈輪與鏈條網(wǎng)格劃分圖
結(jié)合建立的鏈輪與鏈條仿真模型,得到了其結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖,如圖4所示。由圖可知,鏈輪與鏈條在受力過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于本文研究的重點(diǎn)為鏈輪,故隱藏了鏈條結(jié)構(gòu),得到鏈輪的鏈窩部位出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象,在鏈窩與鏈條接觸的內(nèi)側(cè)面和鏈輪底部的中間立環(huán)槽部位的應(yīng)力值則相對(duì)最大,最大應(yīng)力達(dá)到270 MPa,其他部位的應(yīng)力值則相對(duì)較小。鏈輪在時(shí)間的較大外界作用力情況下,極容易率先在鏈窩內(nèi)側(cè)面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或斷裂現(xiàn)象,此部位成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位,一旦出現(xiàn)失效現(xiàn)象,將極容易造成設(shè)備的停機(jī)檢修,給設(shè)備及工作環(huán)境的作業(yè)安全也將構(gòu)成重要影響。因此,有必要對(duì)鏈輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。
圖4 鏈輪與鏈條應(yīng)力(Pa)分布圖
結(jié)合前文對(duì)鏈輪與鏈條嚙合時(shí)的受力情況分析可知,鏈輪的鏈窩部位是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位,極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。為此,采用了當(dāng)前成熟的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,對(duì)鏈輪的輪齒厚度、齒形圓弧半徑、鏈窩弧半徑、齒根圓弧半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化分析[6],即:主要改變此四組試驗(yàn)元素的結(jié)構(gòu)參數(shù)值,進(jìn)行9組試驗(yàn)參數(shù)的組合優(yōu)化試驗(yàn)分析。最終得出了最優(yōu)的輪齒結(jié)構(gòu)參數(shù)值,如表3所示。
表3 優(yōu)化后鏈輪關(guān)鍵參數(shù)
按照最優(yōu)的鏈輪參數(shù),采用SolidWorks軟件,建立了優(yōu)化后的鏈輪結(jié)構(gòu)模型,通過(guò)設(shè)置相同優(yōu)化參數(shù),開(kāi)展了優(yōu)化后鏈輪的結(jié)構(gòu)性能研究,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖如下頁(yè)圖5所示。由圖可知,優(yōu)化的鏈輪與鏈條之間的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯降低,最大應(yīng)力值也從原來(lái)的270 MPa降低至192 MPa,鏈窩處的應(yīng)力值也相應(yīng)減少。由此可知,優(yōu)化后的鏈輪結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)性能,不僅提高了鏈輪的使用壽命及設(shè)備的正常運(yùn)行效率,而且具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
圖5 優(yōu)化后鏈輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力(Pa)分布圖
采用當(dāng)前先進(jìn)成熟的有限元分析方法,開(kāi)展鏈輪的結(jié)構(gòu)性能提升研究,已成為當(dāng)前的重要的研究手段。有效保障鏈輪的結(jié)構(gòu)性能,減少其結(jié)構(gòu)磨損程度和故障發(fā)生率,不僅能有效延長(zhǎng)鏈輪的使用壽命,也能提升鏈輪及刮板輸送機(jī)的工效率,提升煤礦產(chǎn)量。本文的研究成果對(duì)減少企業(yè)的研發(fā)費(fèi)用投入、保障產(chǎn)品性能具有重要意義,也為刮板輸送機(jī)上其他部件的結(jié)構(gòu)性能研究提供指導(dǎo)思路。