刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

李 峰

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100)

0 引 言

我國(guó)煤礦領(lǐng)域開采設(shè)備正朝著大功率化、重型化方向發(fā)展[1]。刮板輸送機(jī)作為重要的煤礦運(yùn)輸裝備，輸送效率有了顯著提升[2]。在日益繁重的輸送任務(wù)下，刮板輸送機(jī)各零部件承受的載荷越來越大[3]。驅(qū)動(dòng)鏈輪作為重要的承力結(jié)構(gòu)件，在重載荷作用下磨損問題日益凸顯，對(duì)鏈輪的運(yùn)行可靠性和使用壽命均提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)[4]。為了提升刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性，很多學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了大量的分析和研究，取得了一定的研究成果，在促進(jìn)刮板輸送機(jī)科研方面起了很大的積極作用[5-6]。筆者主要以刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪為研究對(duì)象，對(duì)其工作時(shí)的受力情況進(jìn)行探討分析，提出建設(shè)性的優(yōu)化改進(jìn)措施，強(qiáng)化實(shí)踐應(yīng)用效果。

1 刮板輸送機(jī)及驅(qū)動(dòng)鏈輪失效概述

刮板輸送機(jī)是綜采工作面中重要的采煤設(shè)備，它的主要作用是將采煤機(jī)采集得到的煤礦物料進(jìn)行輸送。另外，刮板輸送機(jī)還是采煤機(jī)軌道、液壓支架移動(dòng)的支點(diǎn)。所以刮板輸送機(jī)是否可以安全可靠的運(yùn)行，直接決定著煤礦開采過程的連續(xù)性。從機(jī)械結(jié)構(gòu)角度刮板輸送機(jī)主要由支撐結(jié)構(gòu)、鏈輪、刮板、圓環(huán)鏈等部分構(gòu)成。由于煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，以上這些機(jī)械結(jié)構(gòu)件工作時(shí)容易發(fā)生各種故障問題。在所有的故障問題中驅(qū)動(dòng)鏈輪的磨損失效是很常見的。如圖1所示為刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪磨損失效現(xiàn)場(chǎng)圖片。出現(xiàn)這種情況的原因在于井下濕度較高且空氣中包含有大量的煤粉，會(huì)加劇圓環(huán)鏈與驅(qū)動(dòng)鏈輪之間的摩擦磨損；硬度較高的桿石或煤礦如果掉入圓環(huán)鏈和驅(qū)動(dòng)鏈輪的嚙合面，則可能會(huì)直接導(dǎo)致鏈輪破損。針對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪磨損嚴(yán)重、壽命較短的問題，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升鏈輪結(jié)構(gòu)的耐磨性能。

圖1 驅(qū)動(dòng)鏈輪磨損失效現(xiàn)場(chǎng)圖片

2 驅(qū)動(dòng)鏈輪受力模型建立及其結(jié)果分析

2.1 模型的建立

研究的刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGB420/17，根據(jù)該型號(hào)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的實(shí)際尺寸，利用SolidWorks軟件首先建立起三文集和模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS軟件中建立有限元模型。在ANSYS軟件中需要設(shè)置材料屬性并劃分網(wǎng)格，驅(qū)動(dòng)鏈輪的加工材料為Q235，其對(duì)應(yīng)的彈性模量、泊松比、密度分別為122GPa、0.3、7860 kg/m3。綜合考慮模型的計(jì)算時(shí)間和精度要求，利用軟件中自帶的網(wǎng)格劃分程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為13423和16784。模型中將鏈輪的運(yùn)行速度設(shè)置為64.3 r/min，鏈齒受到的拉力為7.3 kN。

2.2 驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力結(jié)果分析

建立刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力有限元模型后，即可對(duì)其受力和變形情況進(jìn)行分析計(jì)算并對(duì)計(jì)算后的模型進(jìn)行后處理，得到對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果。如圖2所示為驅(qū)動(dòng)鏈輪工作時(shí)的應(yīng)變分布云圖和應(yīng)力分布云圖。由圖可知，整個(gè)驅(qū)動(dòng)鏈輪不同位置的應(yīng)變和應(yīng)力分布非常不均勻，驅(qū)動(dòng)鏈輪不管是應(yīng)變還是應(yīng)力均主要集中在一對(duì)鏈齒上。該結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)鏈輪工作時(shí)真正參與受力的只有一對(duì)鏈齒，其它與圓環(huán)鏈接觸的鏈齒雖然也有受力，但受力大小不明顯。另外，在受力相對(duì)較大的一對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪中，應(yīng)力和應(yīng)變主要集中在鏈窩部分，與該部位距離越遠(yuǎn)則受力和變形情況越不明顯。應(yīng)力最大值和應(yīng)變最大值分別為244 MPa和1.508 mm。

圖2 驅(qū)動(dòng)鏈輪的應(yīng)變和應(yīng)力分布云圖

生產(chǎn)加工驅(qū)動(dòng)鏈輪時(shí)，常用的制作材料為Q235，該材料具有非常好的韌性，方便進(jìn)行加工。Q235正常情況下的抗拉強(qiáng)度為235 MPa，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力值達(dá)到了244 MPa，已經(jīng)超過了材料的抗拉強(qiáng)度，說明在受力較大的部位可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的塑性損傷，從而加速該部位的損壞。另一方面，驅(qū)動(dòng)鏈輪工作時(shí)需要不停的發(fā)生周期性旋轉(zhuǎn)，鏈輪鏈齒的受力也存在一定的周期性，屬于典型的疲勞問題。因此，在受力較大的鏈齒部位也特別容易出現(xiàn)疲勞磨損問題。

3 驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

基于以上分析可以看出，由于驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不合理，導(dǎo)致工作時(shí)應(yīng)力主要集中在一個(gè)鏈齒上，該部位出現(xiàn)了嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這是導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)鏈輪摩擦磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，使用壽命較低的主要原因。以下主要對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以降低其鏈齒中的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.1 優(yōu)化改進(jìn)方案

刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，涉及到很多結(jié)構(gòu)參數(shù)，在開展優(yōu)化改進(jìn)工作時(shí)難以對(duì)所有的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況抓住主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，忽略次要結(jié)構(gòu)參數(shù)。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論均表明，驅(qū)動(dòng)鏈輪中有4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能影響最為顯著，分別為短齒厚度A、鏈窩長(zhǎng)度B、齒型圓弧半徑C、鏈窩弧長(zhǎng)度D，這4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)所處的位置如圖3所示。開展優(yōu)化改進(jìn)工作時(shí)，以上述4個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，其中短齒厚度A的取值分別為44、45和46 mm，鏈窩長(zhǎng)度B的取值分別為82、83、84 mm，齒型圓弧半徑C的取值分別為28、29、30 mm，鏈窩弧長(zhǎng)度D的取值分別為23、24、25 mm?；谡粚?shí)驗(yàn)思路對(duì)以上4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分組，總共設(shè)計(jì)了9組模擬實(shí)驗(yàn)，見表1所列。

圖3 驅(qū)動(dòng)鏈輪優(yōu)化變量的位置

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)分組情況，再次利用SolidWorks和ANSYS軟件建立驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力有限元模型，并開展模擬仿真分析工作。所有模型除以上結(jié)構(gòu)參數(shù)不同外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及邊界條件等完全相同。獲得所有模擬結(jié)果后，對(duì)比結(jié)果中鏈齒的最大應(yīng)力值情況，最大應(yīng)力值越小意味著鏈輪的受力情況越優(yōu)越，使用壽命越長(zhǎng)。

3.2 優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果

完成所有組別的模擬分析工作后，對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1。由表中結(jié)果可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，鏈齒中的最大應(yīng)力值結(jié)果存在一定程度的差異。在本研究范圍內(nèi)應(yīng)力最大值達(dá)到了261.4 MPa，最小值卻只有219.5 MPa。鏈子最大值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的短齒厚度、鏈窩長(zhǎng)度、齒型圓弧半徑、鏈窩弧長(zhǎng)度分別為45 mm、83 mm、30 mm和25 mm。與優(yōu)化改進(jìn)前相比，最大應(yīng)力值的降低幅度達(dá)到10%。最重要的是優(yōu)化后鏈齒的最大應(yīng)力值為219.5 MPa，已經(jīng)低于Q235材料的抗拉強(qiáng)度。驅(qū)動(dòng)鏈輪工作時(shí)不會(huì)發(fā)生明顯的塑性損傷。

表1 優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 實(shí)踐應(yīng)用效果

將優(yōu)化改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)用到SGB420/17型刮板輸送機(jī)工程實(shí)踐中，對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行了連續(xù)一年時(shí)間的觀察。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)鏈輪運(yùn)行時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化改進(jìn)前刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪部分發(fā)生故障的頻率為每年8～10次。優(yōu)化改進(jìn)后，驅(qū)動(dòng)鏈輪部位的故障率降低到了3～4次每年，顯著提升了刮板輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。綜上所述，此次針對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的優(yōu)化改進(jìn)，取得了很好的實(shí)踐應(yīng)用效果，達(dá)到了預(yù)期目的，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

以SGB420/17型刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪為研究對(duì)象，在分析結(jié)構(gòu)受力和變形基本情況的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，所得結(jié)論主要如下：①通過對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力分析，發(fā)現(xiàn)鏈齒部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值達(dá)到了244 MPa，已經(jīng)超過了Q235材料的抗拉強(qiáng)度，這是導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)鏈輪發(fā)生故障的重要原因之一；②以驅(qū)動(dòng)鏈輪中4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，基于正交實(shí)驗(yàn)思想開展優(yōu)化改進(jìn)工作，將驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈齒部位的最大應(yīng)力值降低到了219.5 MPa，低于Q235材料的抗拉強(qiáng)度；③將優(yōu)化改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)用到工程實(shí)踐中，鏈輪結(jié)構(gòu)的故障率有了明顯降低，顯著提升了刮板輸送機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，經(jīng)濟(jì)效益顯著。