SGB420/30 型刮板輸送機減速箱體結構優(yōu)化設計研究

徐程兵

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業(yè)股份有限公司， 山西 晉城 048100）

引言

作為煤炭開采機械設備的關鍵部件之一的刮板輸送機是承載煤炭物料運輸裝卸的核心設備，如果能對刮板輸送機進行結構相關的優(yōu)化[1]，不僅能減小能量消耗，還能提高煤炭的生產(chǎn)效率，加速對煤炭物料的產(chǎn)出[2]。

因此，通過對刮板輸送機實際工況環(huán)境的調(diào)查，以目前常用的SGB420/30 型刮板輸送機CST 減速器為研究對象，根據(jù)該類減速器所受到的沖擊載荷以及振動作用，對CST 減速器結構進行拓撲優(yōu)化設計。根據(jù)減速箱的凈力學，以動態(tài)性能為優(yōu)化目標參數(shù)，使得CST 減速器的整體質(zhì)量更輕，實現(xiàn)了整體結構的輕量化設計，并且在質(zhì)量減小的情況下，還能滿足實際工況的工作性能要求，使得CST 減速器箱體的結構強度剛度都能夠滿足工作要求。試驗研究以有限元數(shù)值模擬分析方法為工具，研究成果可為研發(fā)新型的刮板輸送的整體結構提供依據(jù)。

1 刮板輸送機的工況適應性分析

1.1 結構組成分析

刮板輸送機作為目前常用的煤炭開采設備，配備有牽引系統(tǒng)、溜槽結構、底部支撐，通過各種金屬機架組成，對各類附屬部件進行裝配和作用力支撐。刮板輸送機其傳動裝置主要由三大部分組成，分別為發(fā)動機、減速器、連軸器[3]。為了提高工作效率，大多數(shù)刮板輸送機已采用CST 減速器[4]，該類減速器可以實現(xiàn)軟啟動以及電液反饋保護作用，其整體結構示意圖如圖1 所示。

由于CST 減速器能夠極大減小沖擊載荷被許多煤礦企業(yè)所使用，但其質(zhì)量較大，因此從減速器結構優(yōu)化入手，實現(xiàn)拓撲優(yōu)化的最終目的。

圖1 CST 減速器結構示意圖

刮板輸送機還具有其他運輸?shù)母綄俨考?，包括溜槽、刮板鏈條、鏈輪組、盲軸的結構，各個部件之間由中間相關構造連接成整體。

1.2 減速器箱體特性分析

目前對于減速器的研究主要是進行動力學方面的研究，根據(jù)減速器構建瞬態(tài)動力學分析，判斷減速器是否會有強烈的振動，甚至是形成共振現(xiàn)象。國內(nèi)外相關學者還對減速器箱體的應力集中現(xiàn)象進行了分析，結合材料實際應用，判斷出減速器箱體是否能夠滿足工作性能。但是目前還沒有對常用的CST 減速器箱體進行深入研究，針對CST 減速箱體的相關特性，提出以下拓普優(yōu)化設計思路。

建立CST 箱體的數(shù)值模擬分析模型，根據(jù)仿真出的最大應力數(shù)值以及動態(tài)數(shù)值為優(yōu)化參數(shù)目標實現(xiàn)拓撲優(yōu)化。以目標函數(shù)、約束條件、設計變量為拓撲優(yōu)化的三個基本點[5]，對CST 減速箱體實現(xiàn)拓撲優(yōu)化的目的。

2 箱體有限元模型的建立

2.1 三維模型的建立

CST箱體主要可以分為輸入端、輸出端、中間載體、定位部件、定位蓋板等5 個部件[6]，每個部件都通過螺栓或者焊點進行連接。為了提高仿真的有效性，按照1∶1 的實際模型對箱體結構進行建立，去除對整體承載力作用不大的零碎部件，以提高仿真的效率。通過Pro/e 建模軟件對箱體進行建模，如下頁圖2 所示。

2.2 材料參數(shù)的設定及網(wǎng)格模型的建立

圖2 CST 箱體三維模型示意圖

根據(jù)實際情況條件對CST 箱體的材料進行設定，將楊氏模量設置為172GPa，將密度設置為7000kg/m3，將泊松比設置為0.29，將屈服強度設置為278MPa。

通過HyperWorks 軟件對CST 箱體進行網(wǎng)格劃分，總體網(wǎng)格數(shù)目為1 182 973，網(wǎng)格節(jié)點為3 142 116，每個網(wǎng)格屬性均采用邊長大小為16 mm 的三面體網(wǎng)格單元，CST 箱體的有效源模型如圖3 所示。

圖3 CST 箱體有限元模型示意圖

2.3 邊界條件約束及載荷施加

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)條件，去除一些載荷作用比較小的邊界條件，對各個部件之間的接觸表面進行約定和設置，主要對減速器各個齒輪之間的接觸表面液黏傳動進行輸出約定，設定液黏傳動的反向力矩為4.2×108N·mm，考慮各個螺栓的預緊應力能夠與工作產(chǎn)生力矩平衡，將整體的傳動系統(tǒng)設計如圖4 所示。

圖4 CST 箱體齒輪結構示意圖

3 箱體拓撲優(yōu)化設計結果分析

3.1 拓撲優(yōu)化位置確定

將CST 箱體進行機械化結構優(yōu)化，使整體箱體能夠滿足工作所需的強度高度，并盡量減少材料的使用，通過對工作載荷目標參數(shù)的設定，在軟件中通過自動計算減少CST 箱體結構部分位置的材料或者改變結構。通過對原始結構工作載荷分析，得出了可優(yōu)化的區(qū)域如圖5 所示。

3.2 優(yōu)化結果分析

圖5 CST 箱體可優(yōu)化位置示意圖

在ANSYS 軟件的優(yōu)化模塊中進行求解，對整體箱體的密度分布圖進行計算。為了使優(yōu)化后的箱體結構還能保持強度和高度，增強力學性能，在優(yōu)化模塊中提高了20%的目標求解結果，基于計算機模擬分析結果，對減速器箱體做了以下幾處改進：

1）輸入箱體的下表面和前后兩個側面分別打薄5 mm，內(nèi)部隔板的厚度增加3 mm；

2）將輸出箱體螺栓固定處切四個斜角，并在與機架貼合面鉆8 個直徑為100 mm、深90 mm 的孔；

3）對應力集中部位進行倒圓角處理。

根據(jù)拓撲優(yōu)化設計后的的結果進行結構重塑，按照原有邊界條件以及載荷作用力對優(yōu)化后的箱體結構進行分析。由分析結果可知，在額定工況下，最大位移由0.25 mm 減為0.18 mm，降低18.4%。在最大工況下，最大位移由0.256mm 減為0.24 mm，降低3.85%。因此，CST 箱體滿足使用條件。

綜上所述，對箱體進行了結構改進，重建后的箱體總質(zhì)量為5120.97 kg，減輕358.03 kg，減少6.26%。隨后，對拓撲優(yōu)化后的CST 減速器箱體進行強度分析，與原箱體分析結果對比，分析結果表明，優(yōu)化后箱體具有更高的結構強度，優(yōu)化效果較為明顯，更能滿足部件的使用需求。

4 結語

刮板輸送機作為煤炭開采過程中運輸煤炭能源物料的關鍵設備，應提高其工作性能。通過數(shù)值模擬分析的方法對減速箱體結構進行了靜力學分析，以滿足實際工作條件的強度、剛度為目標進行了拓撲優(yōu)化設計。試驗結果顯示，通過優(yōu)化設計后的減速器箱體在能保證工作實際需求的情況下減輕自身質(zhì)量，達到了拓撲優(yōu)化設計的最終目的。