不同工況下刮板輸送機減速箱箱體結(jié)構(gòu)性能的研究

郭樹偉

（太原東山東峰煤業(yè)有限公司，山西 太原 030043）

引言

刮板輸送機作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，一旦其發(fā)生停機維修現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響整個礦井中的煤礦開采，保障其設(shè)備的穩(wěn)定及高效運行、減少設(shè)備的運行故障，已成為當(dāng)前企業(yè)關(guān)注的重點方向，而保障刮板輸送機中的減速箱箱體的結(jié)構(gòu)性能顯得尤為重要[1]。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，刮板輸送機經(jīng)常也出現(xiàn)超負(fù)荷作業(yè)，加上外界經(jīng)常受到較大的外界載荷沖擊，導(dǎo)致箱體在使用時也出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、定位銷斷裂等失效現(xiàn)象，對煤礦的開采效率及作業(yè)安全構(gòu)成了重要威脅，有必要對減速箱箱體進行結(jié)構(gòu)性能研究[2]。為此，以SGZ1710型刮板輸送機箱體為分析對象，開展了該部件在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能研究，提出了箱體結(jié)構(gòu)改進的措施。這對保障刮板輸送機的高效生產(chǎn)及使用壽命具有重要意義。

1 刮板輸送機及減速箱結(jié)構(gòu)組成分析

礦用刮板輸送機作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，以SGZ1710型刮板輸送機為例，其結(jié)構(gòu)主要包括機頭、機尾、減速箱、刮板鏈條、皮帶、機槽、驅(qū)動電機等部分，主要與其他設(shè)備進行相互配合，負(fù)責(zé)對開采煤礦的有效傳輸。其中減速箱中包括了行星輪、太陽輪、行星架、多級傳遞齒輪、箱體等部分，是整個設(shè)備中的核心[3]。而由于刮板輸送機的作業(yè)工況相對復(fù)雜，加上經(jīng)常有煤礦碎石或煤灰掉入至減速箱中，加上箱體自身受到外界的無規(guī)律載荷作用，導(dǎo)致減速箱經(jīng)常出現(xiàn)各類問題。設(shè)備在運行時經(jīng)常出現(xiàn)如下問題：工作阻力較大，導(dǎo)致電機經(jīng)常處于超高功率載荷下作業(yè)；同時設(shè)備的經(jīng)常啟停使用，導(dǎo)致其受到了較大的沖擊載荷作用，對電網(wǎng)及傳輸帶造成了較大沖擊[4]。煤礦的較大沖擊，出現(xiàn)了卡鏈、鏈條損壞或斷裂等問題。箱體是減速箱中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)主要包括輸入箱體、輸出箱體、中間上/下箱體、定位蓋等零件，如圖1 所示，由于外界載荷的無規(guī)律沖擊，箱體使用時也出現(xiàn)了局部區(qū)域變形、局部開裂、定位銷斷裂等失效現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)失效，將會嚴(yán)重影響設(shè)備的正常開采作業(yè)[5]。為此，將重點對減速箱箱體結(jié)構(gòu)在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能開展分析研究。

圖1 減速箱箱體結(jié)構(gòu)組成圖

2 減速箱箱體模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步掌握刮板輸送機減速箱箱體的綜合性能，需對其進行三維模型建立。為此，采用了Solidworks 軟件，結(jié)合SGZ1710型刮板輸送機中減速箱箱體的實際結(jié)構(gòu)尺寸，按照1∶1 比例，對其進行了三維模型建立。由于箱體中存在工藝凸臺、軸承孔、倒角、圓角等特征，此些特征不僅會造成后文模型的網(wǎng)格劃分難度增大，也會對模型的分析精度構(gòu)成影響，故對模型中的圓角、倒角等非關(guān)鍵特征進行了模型簡化，僅保留了箱體中輸入箱體、中間下箱體、定位蓋、中間上箱體、輸出箱體等部分[6]。

2.2 仿真模型建立

將所建立的箱體三維模型保存為x-t 格式后，將其導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對其進行了有限元仿真模型建立。由于箱體在實際使用過程中采用了Q235材料，故在此軟件中將其材料設(shè)置為QT400-15 材料，其屈服強度為235 MPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28，楊氏模量為161 GPa，并將此材料賦予給箱體。根據(jù)箱體的結(jié)構(gòu)特點，在對其進行網(wǎng)格劃分時，確定了箱體的網(wǎng)格類型為實體單元類型，四面體網(wǎng)格，將箱體上關(guān)鍵受力部位進行了10 mm的四面體網(wǎng)格劃分，對箱體上其余部件進行了15 mm的四面體網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。另外，對箱體底部連接孔處了進行了tie 固定約束，各部件之間也進行了tie 固定約束。由此，完成減速箱箱體的網(wǎng)格劃分。

圖2 減速箱箱體網(wǎng)格劃分圖

3 不同工況下結(jié)構(gòu)性能分析

由于刮板輸送機的作業(yè)工況相對復(fù)雜，作業(yè)工況也相對較多，故選用了兩種典型工況對減速箱箱體結(jié)構(gòu)性能進行了分析研究，包括額定工況和最大輸出扭矩工況。其中，額定工況主要是在軸向前端施加-1.3×105N的徑向力和1.04×105N的切向力。而最大輸出扭矩工況則是將驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)扭矩設(shè)置為4.5×108N·mm，電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 480 r/min。

3.1 額定工況下結(jié)構(gòu)性能分析

結(jié)合建立的減速箱箱體仿真模型，得到了箱體在額定工況下的應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，箱體整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象相對較小，最大應(yīng)力值主要集中于下輸出箱體端的螺栓連接孔處，并沿四周呈逐漸減小的變化趨勢，這是由于螺栓孔處受到較大的螺栓載荷作用，導(dǎo)致輸出箱體上的應(yīng)力值較大；同時，在中間箱體的軸承座附近也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由于中間箱體的軸承座上承受著來自齒輪傳動箱上的較大外界載荷作用。而箱體的定位蓋及其他區(qū)域的應(yīng)力值則相對較小。由此，找到了箱體在額定工況下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，箱體的輸出箱體上螺栓孔處及中間箱的軸承座是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在設(shè)計及使用時需重點關(guān)注。

3.2 最大輸出扭矩工況下結(jié)構(gòu)性能分析

通過仿真分析，得到了箱體在最大輸出扭矩下的應(yīng)力變化圖，如圖4 所示。由圖可知，箱體整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在中間箱體的定位銷孔處的應(yīng)力值則相對較高，并沿四周呈逐漸減小的變化趨勢，分析其原因為定位銷孔處受到了來自液黏傳動反方向的扭矩作用，產(chǎn)生了反向的剪切力，致使在其局部區(qū)域的應(yīng)力值相對較高。輸出箱體的中部螺栓孔及中間箱體的軸承座上也出現(xiàn)了相對較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力相對較大的原因和額定工況基本相同。由此可知，減速箱箱體在最大輸出扭矩工況下，中間箱體的定位銷孔及軸承座等區(qū)域是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，若長時間的使用，極可能率先在此區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，需重點進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

圖4 最少輸出扭矩工況下箱體應(yīng)力（MPa）變化圖

結(jié)合兩種工況的應(yīng)力狀態(tài)對比可知，在箱體最大輸出扭矩工況下，箱體的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯比額定工況時更為明顯，且最大應(yīng)力集中區(qū)域更多，在此工況下作業(yè)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的可能性及風(fēng)險會更高。

4 減速箱箱體的結(jié)構(gòu)改進措施

結(jié)合前文分析可知，減速箱箱體在兩種工況下均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在中間箱體定位銷孔處和軸承座處及輸出箱體的螺栓孔處是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位。為此，提出了減速箱箱體結(jié)構(gòu)改進的幾點措施。

1）可將減速箱箱體的材料設(shè)置為Q345 材料，可將其材料的屈服強度由235 MPa 提高至345 MPa，保證箱體結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)強度；

2）增加箱體中的輸出箱體螺栓連接孔四周的鋼板厚度2 mm，并在應(yīng)力集中的非關(guān)鍵區(qū)域開設(shè)直徑為2 mm的小孔，可實現(xiàn)將此區(qū)域集中的應(yīng)力有效轉(zhuǎn)移至小孔處，降低應(yīng)力集中現(xiàn)象；

3）增加中間箱體定位銷孔處鋼板的厚度2 mm，并在銷孔的左端也開設(shè)直徑為2 mm 小孔；

4）對中間箱體及輸出箱體應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)部加設(shè)加強筋結(jié)構(gòu)，增加局部區(qū)域的支撐強度；

5）定期對減速箱箱體內(nèi)添加潤滑油，保證箱體內(nèi)部各部件之間具有較好的潤滑性能，降低部件之間的磨損；

6）盡量保證箱體不處于高強度、高扭矩等工況下工作，使得箱體結(jié)構(gòu)受力均勻，不產(chǎn)生局部較大載荷作用。

5 結(jié)論

1）采用有限元分析方法來對刮板輸送機中關(guān)鍵部件的受力情況及結(jié)構(gòu)性能進行分析研究，以最經(jīng)濟、最高效的分析方法來找到部件存在的薄弱部位，已成為當(dāng)前開展關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)性能研究的重要方法。

2）箱體的中間箱體定位銷孔、輸出箱體的螺栓連接孔等區(qū)域均是其結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

3）針對箱體薄弱部位，從多方面對減速箱箱體的結(jié)構(gòu)進行改進，為進一步提高減速箱箱體的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命提供重要保障作用。