刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究分析

吳堯龍 鄭月參 王建南

摘要：我國(guó)煤炭開(kāi)采量不斷加大，促進(jìn)了刮板輸送機(jī)的快速發(fā)展。到目前為止，已有很多學(xué)者對(duì)刮板輸送機(jī)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了大量研究。針對(duì)刮板輸送機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，詳細(xì)闡述了我國(guó)刮板輸送機(jī)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，介紹了刮板輸送機(jī)的主要分類，重點(diǎn)指出了未來(lái)刮板輸送機(jī)技術(shù)研究的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究、使用和研制新型材料、改進(jìn)關(guān)鍵部件的加工工藝、設(shè)計(jì)研發(fā)綜采面刮板輸送機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，并指出了未來(lái)刮板輸送機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機(jī);驅(qū)動(dòng)鏈輪;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;研究分析

引言

因煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)在長(zhǎng)期負(fù)重工作時(shí)極易發(fā)生故障，輕者導(dǎo)致刮板輸送機(jī)運(yùn)行效率降低，影響煤礦井下的綜采作業(yè)速度，嚴(yán)重者甚至造成人員傷亡事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在煤礦井下刮板輸送機(jī)的事故中，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的鏈環(huán)斷裂、鏈輪破損事故占到了鏈傳動(dòng)事故的60%以上，給煤礦生產(chǎn)企業(yè)的正常生產(chǎn)造成了極大的影響，因此迫切需要對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的斷鏈原因進(jìn)行分析并針對(duì)性的制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，降低鏈傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，提升煤礦井下的綜采作業(yè)效率。

1鏈輪傳動(dòng)特點(diǎn)分析

刮板輸送機(jī)作為一種重要的往復(fù)式輸送裝備，在重載條件下運(yùn)行，存在比較明顯的結(jié)構(gòu)損耗。刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其傳動(dòng)鏈條系統(tǒng)在工作過(guò)程中會(huì)受到周期性變化的載荷作用，同時(shí)會(huì)受到落煤對(duì)其所產(chǎn)生的動(dòng)載荷作用，可見(jiàn)刮板輸送機(jī)所承受的隨機(jī)載荷較大，其中部槽容易變形或刮板鏈條損耗加重，使用壽命大大降低。SGB380型刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)為雙驅(qū)動(dòng)輪型，機(jī)頭參與嚙合的鏈條平環(huán)在自身重力、摩擦力以及鏈輪驅(qū)動(dòng)力作用下產(chǎn)生滑移，這也加重了鏈條與鏈輪之間的磨損。在整個(gè)嚙合的過(guò)程中，鏈條與鏈輪之間始終處于接觸狀態(tài)，按鏈條與齒輪嚙合的動(dòng)作的不同可以分為初始嚙合狀態(tài)、嚙合狀態(tài)、嚙出狀態(tài)。

2驅(qū)動(dòng)鏈輪磨損失效分析

驅(qū)動(dòng)小齒輪的主要失效形式是磨損、擠壓和齒斷裂。磨損可分為內(nèi)部磨削材料磨損和表面疲勞磨損，疲勞磨損是由于接觸表面上的最大壓力應(yīng)力以及圓形鏈接觸鏈輪巢時(shí)表面層下的最大剪切應(yīng)力。很長(zhǎng)一段時(shí)間后，在剪切應(yīng)力作用下，接觸表面會(huì)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致表面磨損。粒子磨損是由于鏈輪與圓形鏈之間的摩擦造成的，該摩擦是由鏈輪工作時(shí)的硬粒子引起的，從而導(dǎo)致磨料磨損。驅(qū)動(dòng)小齒輪的磨損與它的壽命直接相關(guān)，驅(qū)動(dòng)小齒輪工作越穩(wěn)定，鏈輪的壽命就越長(zhǎng)。

3刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)接觸分析

3.1鏈輪三維模型建立

為進(jìn)一步掌握鏈輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合SGZ1000型礦用刮板輸送機(jī)中鏈輪為分析對(duì)象，采用Solidworks軟件，對(duì)其進(jìn)行了三維模型建立。在建模過(guò)程中，為提高整個(gè)分析過(guò)程的精度和分析速度，將鏈輪中的圓角、倒角、過(guò)渡圓弧等特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了鏈輪中輪齒、中心軸、鍵槽等關(guān)鍵部位。同時(shí)，對(duì)鏈輪中的較小非關(guān)鍵圓孔也進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化。將建立的鏈輪三維模型保存為stp格式后，導(dǎo)致如ABAQUS軟件中，對(duì)鏈輪進(jìn)行仿真模型建立。在軟件中，首先將鏈輪的材料設(shè)置為Q235材料，其材料的關(guān)鍵性能參數(shù)如表1所示。同時(shí)，由于鏈輪為實(shí)體結(jié)構(gòu)，故在軟件中對(duì)鏈輪進(jìn)行了實(shí)體單元設(shè)置，網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為10mm。同時(shí)，將鏈輪與鏈條之間進(jìn)行了接觸設(shè)置，并對(duì)鏈輪中部軸孔進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)約束設(shè)置。在鏈輪上施加了牽引作用力。整個(gè)模型的分析時(shí)間設(shè)置為15min，開(kāi)展了鏈輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

3.2接觸、邊界條件、載荷的設(shè)置

套用負(fù)載之前，必須完成節(jié)點(diǎn)和單位元件的設(shè)定。指定1個(gè)鏈輪和10個(gè)環(huán)形鏈元件。鏈輪齒與鏈連結(jié)之間以及鏈連結(jié)之間的接觸設(shè)定為自動(dòng)曲面接觸演算法，而無(wú)需手動(dòng)設(shè)定接觸方向。靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.3和。0.2定義。根據(jù)脫料輪的實(shí)際行駛情況，計(jì)算拉力f = 7.3 kn，轉(zhuǎn)速v = 0.76m/s。假定鏈輪沿z軸逆時(shí)針?lè)较?，速度?4.3 r/min，驅(qū)動(dòng)端為鏈輪的頂部。仿真計(jì)算時(shí)間設(shè)置為0.1s，分為22個(gè)子步驟。

3.3鏈輪傳動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬及接觸分析

在刮板輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，依靠齒輪傳動(dòng)必然涉及到齒輪的磨損和壓潰以及鏈條和鏈環(huán)之間的接觸受力，因此對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究其力學(xué)特性就顯得尤為重要。數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程一般有三步，即數(shù)值模型的預(yù)處理、模型的計(jì)算以及后處理三步。選用ABAQUS軟件對(duì)傳動(dòng)過(guò)程進(jìn)行接觸動(dòng)力學(xué)分析。ABAQUS軟件在計(jì)算非線性運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此被大量應(yīng)用于工程的仿真與模擬計(jì)算中。在刮板輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)樵O(shè)備為非線性動(dòng)態(tài)運(yùn)行，當(dāng)慣性力隨時(shí)間變化很快時(shí)就需要做動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，而ABAQUS軟件根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用而生，在處理非線性動(dòng)態(tài)問(wèn)題方面優(yōu)勢(shì)明顯，因此采用ABAQUS軟件。

3.4驅(qū)動(dòng)鏈輪與圓環(huán)鏈的嚙合

齒廓曲線半徑、齒根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線的大小會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)小齒輪和圓鏈嚙合過(guò)程中整個(gè)網(wǎng)袋形狀發(fā)生變化。當(dāng)齒形狀圓弧的半徑增加時(shí)，輪廓圓弧和圓的交點(diǎn)高于原始交點(diǎn)，從而減小角度并顯著增加它們之間的力。如果齒根弧的半徑增加，并且齒輪廓弧的半徑保持不變，則鏈輪和圓鏈之間的接觸面積也會(huì)增大，從而增加了斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。在驅(qū)動(dòng)小齒輪的工作過(guò)程中，在拉伸作用下，嚙合圓鏈從原始圓切換為橢圓環(huán)。造型變更會(huì)降低齒根弧半徑和鏈灰姑娘弧半徑，同時(shí)增加中心弧的中心距離，最終導(dǎo)致鏈輪和鏈灰之間的地面接觸面積增加。接觸面積的擴(kuò)大似乎減少了磨損。但是，在實(shí)際工作中，鏈輪將更多地接觸鏈條灰的一側(cè)，并且載荷將增大，從而導(dǎo)致地面接觸對(duì)磨損的影響。

4鏈輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

1）將鏈輪的結(jié)構(gòu)材料設(shè)置為屈服強(qiáng)度更高的Q345材料，使其在使用過(guò)程中具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;2）將鏈輪的厚度增加5mm，輪齒根部與輪齒連接處增加圓弧過(guò)渡，過(guò)渡圓弧設(shè)置為R5mm，能有效減小此區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象;3）增加輪齒的厚度5mm，鏈窩圓弧半徑增加2mm，可提高鏈輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;4）定期對(duì)鏈輪與鏈條之間的嚙合接觸部位的煤石或煤灰進(jìn)行清理，保證嚙合處具有更低的摩擦力，減少鏈輪的磨損程度;5）加強(qiáng)對(duì)鏈輪作業(yè)時(shí)自身結(jié)構(gòu)的維護(hù)保養(yǎng)，當(dāng)發(fā)生鏈輪出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、變形或斷裂等失效現(xiàn)象時(shí)，需及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修，以避免刮板輸送機(jī)出現(xiàn)更大結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。6）分析了傳動(dòng)小齒輪的磨損形式和失效原因，給出了疲勞損傷與壽命之間的關(guān)系曲線以及有助于提高傳動(dòng)齒輪壽命的損傷總和公式。7）通過(guò)對(duì)根圓半徑、根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線半徑進(jìn)行正交試驗(yàn)，找出了最有意義的參數(shù)，并給出了相應(yīng)的根圓半徑、根曲線半徑和鏈灰姑娘曲線半徑曲線。8）對(duì)優(yōu)化前后應(yīng)力峰值進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化鏈輪的最大應(yīng)力值減小為156.7 MPa，而最大應(yīng)變?yōu)?.078mm，最大應(yīng)力減小6.57%，最大應(yīng)力減小6.84%。。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦用刮板輸送機(jī)鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模以及鏈輪傳動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬及接觸分析得到，在鏈環(huán)受力運(yùn)行的過(guò)程中，中間鏈環(huán)因?yàn)閼?yīng)力集中受力最大，因此位移變化也最大，在長(zhǎng)期運(yùn)行中容易被磨損破壞，影響刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，因此礦井應(yīng)該選擇合適型號(hào)的刮板輸送機(jī)。

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