一種可換齒鏈輪組件的研制及應用

王志祎

中煤張家口煤礦機械有限責任公司/河北省高端智能礦山裝備技術中心 河北張家口 076250

鏈輪組件的功能與可靠性是整個輸送機性能的關鍵，鏈輪處于易磨損的工作條件下，必須定期更換磨損的鏈輪體，需要反復拆卸和裝配鏈輪組件[1]。原有的結構設計必須將整個鏈輪組件從輸送機上拆下來，在車間等干凈的環(huán)境下，先拆掉軸承座和密封件，才能更換。這種結構需要大量的運輸和裝配工作，增加了成本。研制鏈輪齒使用期限不低于標準鏈輪，不需要拆卸和裝配鏈輪組件，只更換鏈輪齒就可解決鏈輪體磨損嚴重問題的鏈輪組件，不僅能夠快速更換，免了大量的拆卸工作，操作簡易，而且鏈輪軸、軸承等零部件可多次重復使用，能顯著降低成本。

1 可換齒鏈輪組件結構設計

2017年8月為內蒙古鄂爾多斯國源龍王溝煤礦設計的SGZ1000/2000型刮板輸送機，鏈條是48＊152的緊湊鏈，減速器減速比i=30，電機轉數(shù)n=1480r/min，以此套設備隨機備件的鏈輪組件為此項目的載體，進行可換齒設計，通過以整體鏈輪的外形為基礎，進行可換齒結構設計，盡可能保證可換齒與整體鏈輪能夠整體互換，滿足使用要求，通過前期的結構設計得到得到可換齒的結構如下：

圖1 可換齒鏈輪的主視圖

2 鏈輪齒的強度校核

鏈輪軸和鏈輪齒與常規(guī)產(chǎn)品在結構上有很大差異，輪轂與主軸合為一體，平行的四個鏈輪齒構成一組齒排，嵌入到輪轂深槽內，并用兩條螺栓固定，通過深槽側壁來傳遞動力。這就需要確保輪齒與輪轂深槽的配合精確，且輪轂深槽有足夠的強度，并能夠方便拆卸鏈輪。

由于由于可換齒齒是向鍵一樣插入軸里面的，相互是配合的，盡管是間隙配合，但是間隙也很小，最大間隙是0.095mm，最小間隙是0.012mm，這么小的間隙必須考慮拆卸，要不然安裝后拆下來很困難，為解決這一問題，采用的解決方案是在可換齒齒上面加工M36的螺紋，在軸上面加工M30的螺紋，在安裝固定可換齒齒的時候使用M30的螺栓，M30的螺栓正好可以穿過M36的螺紋孔不與螺栓發(fā)生干涉，在拆卸可換齒齒的時候用一個帶有M36螺紋的專用工具，相當于一個頂絲把可換齒齒從鏈輪軸中頂出，通過此種方案解決拆卸困難的問題。

對可換齒齒與軸的貼合面按照擠壓強度進行校核，校核時按照電機額定功率的2倍。

1.機頭 電機P=1000KW，按照P=2000KW，鏈輪的轉速n=49.3r/min 進行核算

式中：

M—力偶矩牛頓·米

P—電機功率千瓦

n—鏈輪轉速轉/分鐘

將已知條件參數(shù)代入公式

計算鏈條的漲力F

式中：

M—力偶矩牛頓·米

d分—鏈輪節(jié)圓直徑 米

式中：

F—鏈條漲力千牛頓

S—鏈輪齒與軸的接觸面積 平方毫米

2按照鏈條的破斷 F=2900KN，核算擠壓強度，兩條鏈條的破斷校核。

已知實體材料40CrNiMoA的抗拉強度σ=980Mpa，屈服強度 sσ=835Mpa，兩種方法計算實體材料的擠壓強度bsσ都小于屈服強度，所以滿bsσ足設計要求。

3 鏈輪軸強度校核

軸按照彎扭合成強度校核。鏈輪軸不僅能滿足正常工作需求，也要滿足在刮卡、重載沖擊下，輪轂深槽不會因沖擊和受力不均而壓潰變形。

鏈輪軸的力學模型的建立及彎矩圖的繪制，通過可換齒的結構設計簡化出兩個軸承為支點的簡支梁力學模型具體

圖2 鏈輪軸的力學模型及彎矩圖

通過計算程序計算出機頭處的鏈條張力F=1370KN（正常運行），鏈條的不均勻系數(shù)U=0.6，計算出兩條鏈條的張力Fc=0.6＊1370=822KN，F(xiàn)d=0.4＊1370=548KN，由電機傳遞過來的扭矩M=9549＊P/n=194085N＊m，通過力和力矩的平衡計算出軸承處的支反力，F(xiàn)a=727KN，F(xiàn)b=643KN，然后做出彎矩圖，通過彎矩圖可以看出最大彎矩Tc=229005N＊M，

實際設計的鏈輪軸外徑D=510mm，齒深80mm，去除齒深的部分還有350mm，安全系數(shù)n=1.8，與整體鏈輪的安全系數(shù)還要高，不影響強度。

4 可換齒鏈輪軸和齒的有限元分析

圖3 軸與齒的加載圖

圖4 鏈輪軸與齒的應力圖

圖3圖四是利用AnSYS軟件分析的可換齒軸與鏈輪的加載約束及分析后應力圖，可換齒軸與可換齒齒材料：40CrNiMoA的屈服強度是850MPa，單條鏈條拉力685KN，考慮最惡劣的使用情況，把這力都作用在一排齒上面，去除應力集中歧義點，鏈輪主體應力分布值低于734.76MPa；鏈輪齒應力分布值低于756.93MPa。兩者皆低于材料的屈服強度850MPa，屬彈性變形范圍內。

5 可換齒鏈輪生產(chǎn)及井下工業(yè)性實驗

經(jīng)過前期的圖紙設計及生產(chǎn)服務，得到加工后的鏈輪齒如下圖。

圖5生產(chǎn)可換齒實物

可換齒于2019年3月到2019年6月在內蒙古鄂爾多斯國源龍王溝煤礦進行井下工業(yè)性實驗，三個月的時間里鏈輪使用正常，運行平穩(wěn)，固定可換齒齒的兩個M30的螺栓沒有出現(xiàn)過斷裂情況，過煤量達到100萬噸，比較好的完成工業(yè)性實驗，于2019年7月升井進行返廠檢測，鏈窩的磨損情況良好，可換齒齒的支撐面H值磨損掉5mm，鏈窩總長度增大8mm，這些磨損量還在鏈窩的淬硬層內，此鏈輪片的淬層深度在16mm，鏈輪還可以繼續(xù)使用。

圖6 鏈輪升井實物

6 結語

通過可換齒的設計及井下工業(yè)性實驗過程，看到工業(yè)性實驗的結果還是達到了預期的結果，為以后各各系列及不同型號的鏈輪做可換齒提供了重要的理論支撐，給刮板輸送機鏈輪的升級及更新?lián)Q代提供了新的發(fā)展方向，讓其更適應現(xiàn)在高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展要求，為中國煤礦提供更可靠，維修更便捷的設備[2-3]。