SGZ630/220刮板輸送機關鍵部件結構的優(yōu)化設計研究

李 偉

（山西煤炭運銷集團小窯頭煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

1 SGZ630/220刮板輸送機概述

SGZ630/220型刮板輸送機是一種回轉式撓性牽引機構的連續(xù)性輸送機械設備，常常被應用于采煤作業(yè)中。其工作時，由鏈條實現(xiàn)牽引，主要物料承載部位為中部槽。刮板輸送機的工作原理為將需要被運輸?shù)奈锪希缑旱V，放置于槽體中，鏈條帶動刮板運動，當機頭電機啟動時，即可帶動機頭鏈輪轉動，從而驅動刮板，最終實現(xiàn)中部槽中物料的輸送[1-2]。

通常刮板輸送機均可分為四大部分，包括機頭部分、機身部分、機尾部分以及相關的輔助設備。機頭主要包括電機、液力耦合器、溜槽、轉軸等部件，主要實現(xiàn)對鏈條的驅動與控制[3]。機身部分主要是輸送機的主體結構，中部槽和刮板主要執(zhí)行運輸、傳導任務。機尾部分主要包括尾架、機尾軸、緊鏈裝置、導鏈輪或機尾滾筒。其中導鏈輪的主要作用是改變刮板鏈方向。

2 分析模型的建立

首先建立SGZ630/220型刮板式輸送機的三維模型，利用其工程結構圖，基于Solid Works建立中部槽結構三維模型，為了有限元計算的方便，在此簡化模型中一些不影響應力分析的細小特征，如孔、凹槽等。將建立好的三維模型，通過通用文件格式導入ANSYS Workbench，現(xiàn)就模型的有限元處理做簡要說明。

2.1 模型材料設置

刮板輸送機結構主要由6BM材料組成，根據(jù)模型的實際結構，對模型各部分材料進行設定，在該模型的靜態(tài)分析中不考慮幾何、材料的非線性問題。已知，6BM材料的彈性模量E=2.21×105MPa，密度ρ=7 910 kg/m3，泊松比 μ=0.3，屈服強度為 738 MPa[4]。

2.2 網格劃分

對導入模型設置好參數(shù)后，對其進行網格劃分，由于中部槽結構規(guī)整，為了確保后續(xù)的計算精確性，可以采用掃略網格劃法，設置Solid45單元類型，采用六面體實體單元通過軟件計算劃分得到191 375個節(jié)點，95 827個單元。

2.3 載荷與邊界條件的設置

為了探究刮板輸送機中部槽的結構性能，根據(jù)輸送機的典型作業(yè)工況來分析，確定了直行工況、拉架工況，對兩種典型的刮板輸送機工作受力情況來分析，同時建立相對應的有限元分析模型[5]。對兩種工況包括直行工況、拉架工況進行說明：直行是指采煤機沿刮板機上直線運動；拉架工況是推溜結束后，液壓支架向煤層一側移動。

為了便于對兩種工況下載荷與約束實際作用位置做出說明，現(xiàn)將中部槽分為5節(jié)，如圖1所示。采煤機直行割煤時，從右到左數(shù)的第1節(jié)中部槽凹端與第5節(jié)中部槽凸端設置為固定約束，其余端在凹凸連接位置設置為無摩擦接觸。拉架工況：兩側中部槽設置為固定約束，與此同時在拉架中部槽拉移耳處作用拉架力，中部槽凹凸連接位置設置無摩擦接觸。

圖1 5節(jié)中部槽實體模型

根據(jù)刮板輸送機中部槽與采煤機相關技術參數(shù)和幾何尺寸，對各個工況狀態(tài)進行分析，可以確定每個工況下對中部槽載荷的施加情況，由于篇幅所限，在此不再對計算過程進行一一展示。如表1所示為中部槽所受載荷大小。中部槽受力情況：F1為前滑靴所受載荷；F2為后滑靴所受載荷；F3為前導向槽所受支持力；F4為后導向槽所受支持力；F5為后導向滑靴的導向力[6]。

表1 兩種工況下中部槽載荷 kN

3 應力分析結果

根據(jù)所列兩種典型工況載荷與邊界的設置，計算分析得到兩種工況應力分布情況，確定中部槽結構的薄弱環(huán)節(jié)，并依據(jù)實際在使用刮板輸送機過程中出現(xiàn)的情況進行優(yōu)化，重新設計，提高設備的可靠性。

通過計算，在直行割煤工況下中部槽應力分布如圖2所示，其中最大應力位于中部槽鏟板槽幫的凸端，此時最大應力值為471.5 MPa，該工況狀態(tài)下應力值分布均比較小，小于材料的屈服極限，因此可以認為直行工況對中部槽的破壞比較小。

圖2 直行工況中部槽應力分布情況

如圖3所示，為中部槽在拉架工況下應力分布情況，最大應力值為472 MPa，小于材料的屈服應力，最大應力值位于鏟板槽幫的凸端。此時中部槽、銷軌、軌座的應力值均小于材料屈服極限，但應注意應力較大的區(qū)域在刮板輸送機實際使用情況中，在軌座與銷軌連接處產生了微裂紋。

4 中部槽結構優(yōu)化設計分析

中部槽作為刮板輸送及重要的承載部件，在使用過程中也出現(xiàn)不同的故障，根據(jù)既往使用情況常出現(xiàn)疲勞裂紋的萌生、關鍵零部件在沖擊載荷下折斷等現(xiàn)象，為了提高刮板輸送機使用壽命與可靠性，對中部槽結構模型進行針對性優(yōu)化改進。

根據(jù)實際使用的情況和兩種工況下應力分析的結果，對槽幫啞鈴窩處結構的加強，如圖4所示為槽幫啞鈴窩結構優(yōu)化前后的對比示意圖。同時對中部槽內部焊縫較為集中的區(qū)域進行重新設計。

圖3 拉架工況應力分布情況

建立優(yōu)化后中部槽三維模型，依據(jù)直行工況下邊界條件與載荷工況對優(yōu)化后中部槽模型進行強度分析，如圖5所示，此時最大應力值為347 MPa，應力分布情況與優(yōu)化前相似，但總體上與優(yōu)化前相比減小104.5 MPa，減小23.1%。計算結果表明，優(yōu)化對于結構的整體應力分布、結構強度均有明顯改善，提高了中部槽結構的可靠性。

圖4 槽幫結構優(yōu)化前后對比

圖5 優(yōu)化后中部槽直行工況應力

5 結論

1）建立SGZ630/220型刮板式輸送中部槽三維模型，根據(jù)受力分析確定其實際生產作業(yè)中兩種典型工況，并基于ANSYS Workbench對中部槽在兩種工況下強度進行分析。獲得中部槽在典型工況下的薄弱區(qū)域，結合輸送機實際使用情況進行結構優(yōu)化設計。

2）對槽幫啞鈴窩處結構的加強，同時對中部槽內部焊縫較為集中的區(qū)域進行重新設計，在直行工況下計算中部槽最大應力值347 MPa，同比減小23.1%。優(yōu)化后結構對于中部槽的整體應力分布、結構強度均有明顯改善，提高了中部槽結構的可靠性，對實際使用與后續(xù)中部槽結構設計的改進具有重要的借鑒意義。