張俊杰
(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦, 山西 方山 033100)
刮板輸送機(jī)是煤礦開采中一種常用的裝備,其對(duì)物料的轉(zhuǎn)運(yùn),提高生產(chǎn)效率起著重要的作用。隨著開采行業(yè)的不斷發(fā)展,刮板輸送機(jī)也不斷朝著大型化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展,對(duì)于提升煤礦產(chǎn)能發(fā)揮了重要作用。但是,刮板輸送機(jī)本身結(jié)構(gòu)安全問題也受到人們的廣泛關(guān)注,其鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鏈條、驅(qū)動(dòng)輪的使用壽命具有極大的影響,研究鏈輪驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題,對(duì)于提高刮板輸送機(jī)使用壽命、提升煤礦開采企業(yè)整體效益具有重要意義。本文對(duì)SGB4318型刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析,為刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考[1-3]。
與齒輪的失效形式相似,刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈輪的主要失效形式包括磨損、齒根斷裂、壓潰等。磨損在鏈輪工作中是不可避免的,由于工作環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一些微小固定顆粒掉落在鏈輪與鏈條接觸的鏈窩中,在循環(huán)載荷的作用下,在輪齒表面形成凹坑。凹坑進(jìn)一步發(fā)展,形成微小裂紋,從而不斷擴(kuò)散,最后導(dǎo)致斷裂失效[4]。
鏈輪齒面壓潰失效,通常是由于工作載荷過大,或者是鏈輪本身結(jié)構(gòu)問題以及加工工藝的處理不當(dāng)造成的。鏈輪容易受到由鏈條傳遞而來的沖擊載荷,很容易導(dǎo)致鏈輪產(chǎn)生塑性變形,變形之后的形狀與原鏈條的形狀并不契合,從而導(dǎo)致齒面壓潰。與齒輪結(jié)構(gòu)類似,驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)包括齒數(shù)、節(jié)圓直徑、分度圓直徑、齒寬、齒厚等,鏈輪的優(yōu)化從這些設(shè)計(jì)參數(shù)入手[5]。
對(duì)鏈輪與鏈條擬合狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)力分析,首先對(duì)SGB4318型刮板輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行說明,其輸送量為50 t/h,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為50 m,鏈條規(guī)格為Φ14 mm×150 mm,鏈速為0.80 m/s。根據(jù)鏈條與鏈輪仿真分析的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,驅(qū)動(dòng)鏈輪主要參數(shù)見表1。
在三維軟件SolidWorks中創(chuàng)建好鏈輪與鏈條的三維模型,以Parasolid文件格式導(dǎo)入ANSYSWorkbench中,并完成兩模型之間配合關(guān)系的設(shè)定[6]。
在ANSYS Workbench中新建一個(gè)Structural分析模塊,分別設(shè)置好鏈輪與鏈條的材料各項(xiàng)參數(shù),圓環(huán)鏈的材料是23MnCrNiMo,泊松比為0.25,彈性模量為210 GPa。驅(qū)動(dòng)鏈輪的材料選擇30GrMnTi,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3。模型采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格技術(shù),并對(duì)兩模型相互接觸地方的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化,圖1所示為模型網(wǎng)格劃分示意圖。
圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖
首先,在驅(qū)動(dòng)鏈輪與鏈條之間,創(chuàng)建摩擦接觸,在ANSYS Workbench前處理模型中設(shè)置Frictional有摩擦接觸,設(shè)置動(dòng)摩擦系數(shù)為0.25,靜摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。設(shè)置鏈條的拉力為7.3 kN,固定約束鏈輪軸孔位置,仿真時(shí)間設(shè)定為0.2 s,補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置為2,進(jìn)而仿真驅(qū)動(dòng)鏈輪的最大應(yīng)力及應(yīng)力分布情況。
根據(jù)ANSYS Workbench模型計(jì)算仿真結(jié)果,得到鏈輪與鏈條在嚙合過程中應(yīng)力分布的情況,如圖2所示。
圖2 應(yīng)力分析結(jié)果
由圖2分析結(jié)果,得到當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈輪受到鏈條作用力時(shí),鏈輪的鏈窩處應(yīng)力應(yīng)變最為明顯,也就是鏈輪與鏈條剛剛開始擬合的地方。就分布情況來看,鏈窩底部平面與鏈窩側(cè)面,與鏈條嚙合接觸區(qū)域應(yīng)力分布最大,最大172.3 MPa,其他位置的應(yīng)力分布較小。
對(duì)鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)法,是一種典型多因素的試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法。其原理是依據(jù)正交特性,使用正交表格,從而在較少的試驗(yàn)次數(shù)中獲得比較理想的優(yōu)化結(jié)果。本文采用正交優(yōu)化法對(duì)鏈輪的相關(guān)重要參數(shù)做優(yōu)化統(tǒng)計(jì),經(jīng)過仿真分析得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù),從而改進(jìn)、提升鏈輪的使用性能。
根據(jù)對(duì)刮板運(yùn)行過程中對(duì)鏈輪與鏈條嚙合過程的受力進(jìn)行分析,確定驅(qū)動(dòng)鏈輪的鏈窩為主要承載位置,選擇決定鏈輪輪齒的三個(gè)重要參數(shù)。建立好相對(duì)應(yīng)的模型,通過仿真分析得到接觸應(yīng)力,由此可以確定各參數(shù)對(duì)鏈輪性能的影響。本文中選擇齒厚、齒形圓半徑、鏈窩弧半徑三種參數(shù)來設(shè)計(jì)優(yōu)化仿真試驗(yàn)。圖3所示為優(yōu)化參數(shù)示意圖。
為了便于表達(dá),在此用符號(hào)a表示齒厚參數(shù),R表示齒形圓弧半徑,r表示鏈窩弧半徑,然后取a為44 mm、45 mm、46 mm,R取 23 mm、24 mm、25 mm三個(gè)參數(shù),r取28 mm、29 mm、30 mm三個(gè)參數(shù)。將正交優(yōu)化分析法所得的序列組合作為優(yōu)化分析的參數(shù),已知關(guān)于a、R和r的參數(shù)設(shè)計(jì)如表2,以這九種模型設(shè)計(jì)正交優(yōu)化試驗(yàn)方案,并得到試驗(yàn)結(jié)果,如表2所示。
圖3 優(yōu)化參數(shù)示意圖
表2 正交試驗(yàn)分析結(jié)果
然后使用方差分析的方式處理試驗(yàn)結(jié)果,在直觀分析中,發(fā)現(xiàn)因素R、r,即齒形圓弧半徑、鏈窩弧半徑在分析結(jié)果中,對(duì)鏈輪應(yīng)力分布影響更大,在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析時(shí),只考慮R與r,兩個(gè)參數(shù)為方差設(shè)計(jì)變量,由于篇幅所限,具體計(jì)算過程不再一一展示,最終得到的鏈輪優(yōu)化參數(shù)為:a=45 mm;R=30 mm;r=24.2 mm。據(jù)此重新建立鏈輪與鏈條的接觸模型,導(dǎo)入ANSYS Workbench,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)設(shè)置、接觸設(shè)置等,分析計(jì)算優(yōu)化后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,齒輪應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。
圖4 優(yōu)化后鏈輪的接觸仿真
在相同的邊界條件、載荷設(shè)定的情況下,優(yōu)化后鏈輪接觸分析最大應(yīng)力為160.5 MPa,最大應(yīng)變值為0.001 21 mm,與優(yōu)化前原始狀態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)比,如表3所示。
表3 漏電保護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)
由表3可知,優(yōu)化后最大應(yīng)力減小了6.84%,最大應(yīng)變減少了9.61%,對(duì)鏈輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)效果明顯,優(yōu)化方案是針對(duì)鏈輪的設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn)的,所以對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。
1)對(duì)影響鏈輪接觸應(yīng)力的三個(gè)因素作為變量建模求解。對(duì)九個(gè)試驗(yàn)分析模型進(jìn)行分析,選擇了兩個(gè)影響最大的因素,并確定相對(duì)最優(yōu)的鏈輪優(yōu)化參數(shù)為a=45 mm、R=30 mm、r=24.2 mm。
2)優(yōu)化后最大接觸應(yīng)力減小了6.84%,最大應(yīng)變減少了9.61%,對(duì)鏈輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)效果明顯,為鏈輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo),為提高鏈輪可靠性以及輸送機(jī)整體的生產(chǎn)效益具有重要意義。