刮板連續(xù)運輸車中關鍵結構的靜力學分析

張林生，羅銀貴，王洪祥

（1.鄭州清源智能裝備科技有限公司，鄭州450001；2.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱150001）

0 引 言

煤礦資源在我國的能源消費結構中起到舉足輕重的作用，刮板運輸作為煤礦開采綜合工作面最主要的運輸方式，在煤礦生產與建設中具有重要的作用[1]?，F(xiàn)階段我國先后設計和制造出一些新型的重型刮板輸送機，在運距、運量和總裝機功率等方面已經同國外相近，但在設備性能、使用壽命和環(huán)境適應性等方面仍存在著較大差距[2]。刮板鏈作為重要的受力運動部件，因為設計制造、使用維護及工作面特殊工作條件等方面的影響，刮板鏈時常發(fā)生跳鏈、斷鏈現(xiàn)象，嚴重地影響了正常生產，所以對這些零件材料的強度、韌性、耐磨性和抗腐蝕性都提出了很高的要求。刮板鏈一般采用的是圓環(huán)鏈，通過鋸齒接鏈環(huán)連接組成完整的牽引鏈，在工作過程中刮板連續(xù)運輸車運輸距離較長，圓環(huán)鏈在拉力作用下容易發(fā)生變形，導致整條牽引鏈長度發(fā)生變化，為防止跳鏈現(xiàn)象的發(fā)生，圓環(huán)鏈重載部分的總伸長量應小于一個鏈節(jié)。牽引鏈中的接鏈環(huán)也是整個刮板鏈的薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生斷鏈現(xiàn)象。另外，溜槽架為左右兩部分，通過回轉銷軸連接在一起，在溜槽架上安裝彈簧板構成刮板轉向機構，轉向機構將相鄰兩車連接在一起，工作時溜槽架受車體拉力、煤炭與溜槽摩擦力和煤炭重力的共同作用，極易損壞。因此，本文利用SolidWorks軟件對圓環(huán)鏈、接鏈環(huán)和溜槽架進行靜力學分析，校核刮板連續(xù)運輸車中這些關鍵結構能否滿足強度和剛度要求[3-4]。

1 圓環(huán)鏈的靜力學分析

所用圓環(huán)鏈尺寸規(guī)格為30×108，內寬為34 mm，外寬為94 mm，外長為168 mm，材料為高強度合金鋼，其屈服強度、彈性模量和泊松比分別為620.422 MPa、210 GPa和0.28。首先利用SolidWorks軟件建立的圓環(huán)鏈的三維模型（如圖1），為了簡化分析過程，只對其中的一個鏈節(jié)進行分析，將圓環(huán)鏈的中部用鉸鏈固定，限制4個自由度，兩端施加拉力，所施加拉力為250 kN，其方向如圖2所示。圓環(huán)鏈的網格化劃分如圖3所示，通過計算得到的位移、應力和安全系數(shù)云圖如圖4～圖6所示。

圖1 圓環(huán)鏈三維模型

圖2 圓環(huán)鏈載荷施加方向

圖3 圓環(huán)鏈網格化劃分

圖4 圓環(huán)鏈位移云圖

圖5 圓環(huán)鏈應力云圖

圖6 圓環(huán)鏈安全系數(shù)云圖

設smax為最大位移量，smin為最小位移量，L為刮板鏈重載段的長度，P為圓環(huán)鏈節(jié)距。則圓環(huán)鏈在運行阻力的作用下變形量Δ[5]為

假定刮板連續(xù)運輸車的溜槽各處運行阻力相同，且圓環(huán)鏈的伸長量與所受拉力成正比，則刮板鏈重載段所受的拉力呈線性變化，即圓環(huán)鏈由尾車的驅動端到頭車的從動端的各個鏈節(jié)伸長量線性減少，刮板鏈重載段總伸長量[5]為

經計算求得Δ=0.1185 mm，刮板鏈重載段總伸長量ΔL≈60.347 mm。由圖可見，圓環(huán)鏈兩端受拉力作用時，盡管在圓弧段與直線段接縫處會產生一定的應力集中，但因為最大應力σmax=324.799 MPa＜[σ]，安全系數(shù)最小值為1.910 17，且圓環(huán)鏈重載段的總伸長量小于鏈節(jié)長度，所以圓環(huán)鏈能滿足強度和剛度要求。

2 接鏈環(huán)的靜力學分析

刮板連續(xù)運輸車整條牽引鏈以圓環(huán)鏈為主體，用接鏈環(huán)連接，實現(xiàn)刮板鏈循環(huán)運動，但發(fā)生斷鏈也是最常見的故障之一，因此接鏈環(huán)成為牽引鏈中的薄弱環(huán)節(jié)。本文所用接鏈環(huán)為鋸齒式，材料為高強度合金鋼X38CrMoV4-1，其屈服強度、彈性模量和泊松比分別為1910 MPa、215 GPa和0.28。利用SolidWorks軟件建立的接鏈環(huán)三維模型（如圖7），接鏈環(huán)的中部用鉸鏈固定，限制4個自由度，兩端施加拉力，所施加拉力為250 kN，其方向如圖8所示。接鏈環(huán)的網格化劃分如圖9所示，通過計算得到的位移、應力和安全系數(shù)云圖如圖10～圖12所示。

圖7 接鏈環(huán)三維模型

圖8 載荷施加方向

圖9 接鏈環(huán)網格化劃分

圖10 接鏈環(huán)位移云圖

圖11 接鏈環(huán)應力云圖

圖12 接鏈環(huán)安全系數(shù)云圖

經計算求得Δ=smax-smin=0.13814 mm，這表明接鏈環(huán)與圓環(huán)鏈變形量的計算結果相近，接鏈環(huán)剛度與圓環(huán)鏈比較匹配。對比圖5和圖11可知，在接鏈環(huán)銜接處存在棱角，該處應力集中較為嚴重，這對牽引鏈的使用壽命會產生一定的影響，因此設計和制造過程中應加以注意。σmax=792.841 MPa＜[σ]，安全系數(shù)最小值為1.794 84，可知接鏈環(huán)也能滿足強度要求。

3 溜槽架的靜力學分析

溜槽架的材料為Q235，其屈服強度、彈性模量和泊松比分別為205 MPa、210 GPa和0.3。利用SolidWorks軟件建立的溜槽架三維模型（如圖13），限制5個自由度，使溜槽架只能沿拉力方向發(fā)生變形或位移。為了簡化分析，將摩擦力和重力忽略不計，僅考慮溜槽架所受的拉力作用，當刮板連續(xù)運輸車沿著最大傾角向上運動時，各個溜槽架所受拉力最大。設M為刮板連續(xù)運輸車整車質量，β為煤礦巷道傾角，則傾角最大時溜槽架所受拉力[5]為

經計算求得F=330 kN。載荷施加方向如圖14所示，溜槽架的網格化劃分如圖15所示，通過計算得到的位移、應力和安全系數(shù)云圖如圖16～圖18所示。經有限元仿真計算求得Δ=smax-smin=0.15404 mm，變形量足夠小，滿足剛度要求。由圖17可見，溜槽架的應力集中現(xiàn)象不明顯，σmax=122.761 MPa＜[σ]，最小安全系數(shù)為4.973 74，可知溜槽架也能夠滿足強度要求。

圖13 溜槽架三維模型

圖14 載荷施加方向

圖15 溜槽架網格劃分

圖16 溜槽架位移云圖

4 結 語

圖17 溜槽架應力云圖

圖18 溜槽架安全系數(shù)云圖

本文利用SolidWorks軟件對刮板連續(xù)運輸車中關鍵部件進行了靜力學分析，并對刮板連續(xù)運輸車中的關鍵結構進行了強度校核，結果表明所用圓環(huán)鏈、接鏈環(huán)和溜槽架均能滿足剛度和強度要求。通過對刮板連續(xù)運輸車中的關鍵結構進行靜力學分析，可以優(yōu)化刮板鏈和溜槽架的結構，提高刮板連續(xù)運輸車使用壽命和可靠性，并為我國大型刮板連續(xù)運輸車關鍵部件的設計提供參考數(shù)據(jù)。