礦用刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的靜力學(xué)分析及優(yōu)化

劉凱麗

(山西焦煤霍州煤電 回坡底煤礦選煤廠，山西 洪洞 041600)

刮板輸送機是選煤廠中非常重要的輸送裝備，將煤炭輸送到破碎機或帶式輸送機中[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，對煤礦開采效率的要求也越來越高。在這樣的背景下，刮板輸送機正朝著重型化、大型化方向發(fā)展，對設(shè)備各零部件的性能要求越來越高[2]。驅(qū)動鏈輪是刮板輸送機中非常重要和關(guān)鍵的承力結(jié)構(gòu)件，工作中特別容易出現(xiàn)缺陷和故障，對設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性造成了嚴(yán)重威脅[3]。本文利用有限元軟件對刮板輸送機驅(qū)動鏈輪開展靜力學(xué)分析，結(jié)合實際情況對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，取得了理想的效果。

1 刮板輸送機及驅(qū)動鏈輪概述

以SGB420/17型刮板輸送機為對象進行研究。設(shè)備采用的刮板鏈形式為邊雙鏈，設(shè)計長度、裝機功率及輸送量分別為50 m、17 kW和50 t/h，鏈條規(guī)格型號為D14 mm×50 mm，正常運行時的速度為0.78 m/s，中部槽結(jié)構(gòu)的規(guī)格為1 200 mm×420 mm×150 mm[4]。刮板輸送機工作時，由電機輸出的動力會傳輸至驅(qū)動鏈輪上，驅(qū)動鏈輪與鏈條進行嚙合傳動，見圖1。驅(qū)動鏈輪的旋轉(zhuǎn)運動帶動鏈條運動，進而帶動中部槽結(jié)構(gòu)做循環(huán)往復(fù)運動。通過上述分析可以看出，驅(qū)動鏈輪工作時需要承受較大的工作載荷，特別是與圓環(huán)鏈接觸的部位會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致鏈輪特別容易出現(xiàn)失效問題，常見的失效形式包括斷齒、壓潰和磨損等[5]。

圖1 驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈的嚙合示意

2 驅(qū)動鏈輪靜力學(xué)建模及結(jié)果

2.1 靜力學(xué)模型建立

SGB420/17型刮板輸送機驅(qū)動鏈輪擁有7個鏈齒，其結(jié)構(gòu)尺寸主要有：外側(cè)直徑和節(jié)圓直徑分別為253 mm和225 mm，立環(huán)槽直徑和寬度分別為164 mm和20 mm，齒形弧半徑、齒根圓弧半徑、鏈窩圓弧半徑分別為29 mm、7 mm、25 mm，短齒厚度和鏈窩長度分別為46 mm和82 mm。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)尺寸利用SolidWorks軟件建立三維幾何模型并導(dǎo)出為.STL格式，將模型導(dǎo)入到Ansys軟件中進行網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置、邊界條件設(shè)置等[6]。驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈的材料分別為30GrMnTi和23MnCrNiMo，兩種材料的密度均設(shè)置為7 860 kg/m3，前者的彈性模量和泊松比分別為206 GPa和0.3，后者的彈性模量和泊松比分別為210 GPa和0.25。在Ansys軟件中選擇四面體網(wǎng)格并基于自動模式對模型進行網(wǎng)格劃分，得到的單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為9 324和10 146個。圓環(huán)鏈和驅(qū)動鏈輪之間的靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.3和0.2，外部作用力作用在圓環(huán)鏈上，拉力大小設(shè)置為7 300 N。

2.2 靜力學(xué)分析結(jié)果

利用Ansys軟件對驅(qū)動鏈輪和圓環(huán)鏈之間的嚙合關(guān)系進行模擬仿真后，可以提取兩者之間的靜力學(xué)分析結(jié)果?？紤]到本文研究對象為驅(qū)動鏈輪，所以將圓環(huán)鏈作隱藏處理，主要展示驅(qū)動鏈輪靜力學(xué)結(jié)果，如圖2所示為驅(qū)動鏈輪的等效應(yīng)力等值線圖。由圖可知，驅(qū)動鏈輪大部分區(qū)域的應(yīng)力都相對較小，只有局部位置出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要集中在鏈窩部位，具體而言是底部平面與側(cè)面靠近中間立環(huán)槽的部位，該部位的最大應(yīng)力值為225.62 MPa。

圖2 驅(qū)動鏈輪的等效應(yīng)力等值線圖

刮板輸送機驅(qū)動鏈輪正常工作時需要作周期性的旋轉(zhuǎn)運動，意味著鏈齒應(yīng)力集中部位也承受著循環(huán)載荷，時間久后特別容易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，從而加速應(yīng)力集中部位的損傷，最終出現(xiàn)壓潰、磨損等失效現(xiàn)象。工程實踐中，鏈窩部位是最容易出現(xiàn)失效的區(qū)域，這與本文的研究結(jié)果基本類似，驗證了有限元模型的正確性?？梢岳迷撃Ｐ蛯︱?qū)動鏈輪鏈窩部位的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化改進。

3 驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化改進方案

由上文分析可知，驅(qū)動鏈輪鏈窩部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，加上鏈輪的工作性質(zhì)，使得該區(qū)域出現(xiàn)循環(huán)載荷，最終引發(fā)疲勞問題，加速鏈輪損傷失效?；诖?，有必要對驅(qū)動鏈鏈窩部位的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化改進，以降低相同工況條件下該區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)實際情況確定了4個結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象，如圖3所示。每個優(yōu)化對象取3個值，根據(jù)正交實驗的思想確定了9組實驗方案，表1為設(shè)計的9組優(yōu)化改進方案。

根據(jù)以上優(yōu)化改進方案，再次利用SolidWorks和Ansys軟件建立刮板輸送機驅(qū)動鏈輪與圓環(huán)鏈之間的嚙合有限元模型，并開展模擬仿真工作。模型設(shè)置時除表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)以外，其他參數(shù)設(shè)置均相同。然后對比不同優(yōu)化改進方案中驅(qū)動鏈輪的最大應(yīng)力值，取應(yīng)力最小者為最優(yōu)解。

圖3 驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象圖

表1 優(yōu)化改進方案

3.2 優(yōu)化結(jié)果

針對9種優(yōu)化改進方案分別建立有限元模型并提取靜力學(xué)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)9種方案的應(yīng)力分布等值線圖基本類似，鏈齒的鏈窩部位出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但不同方案的應(yīng)力集中最大值存在一定差異。圖4為9種實驗方案條件下驅(qū)動鏈輪的最大應(yīng)力值統(tǒng)計情況。由圖可知，鏈窩部位的結(jié)構(gòu)尺寸不同時對應(yīng)的應(yīng)力最大值也不同，說明選擇的4個結(jié)構(gòu)參數(shù)對鏈輪的受力情況有明顯的影響。對比發(fā)現(xiàn)，第7組方案的應(yīng)力最大值相對最小，為197.98 MPa，對應(yīng)的斷齒厚度為44 mm、齒根圓弧半徑為6 mm、齒形圓弧半徑為29 mm、鏈窩弧半徑23 mm。優(yōu)化后的鏈輪應(yīng)力最大值與結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進前相比降低了12.25%.應(yīng)力集中現(xiàn)象的降低能在一定程度上提升鏈輪的疲勞壽命，保障結(jié)構(gòu)的運行可靠性。

圖4 不同實驗方案驅(qū)動鏈輪的最大應(yīng)力值曲線圖

4 應(yīng)用效果分析

SGB420/17型刮板輸送機的驅(qū)動鏈輪未進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進前，工程實踐中每年出現(xiàn)故障而失效的次數(shù)為7～8次。根據(jù)上述方案對鏈輪的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進以后，對其實際運行效果進行持續(xù)1 a時間的觀察檢測，發(fā)現(xiàn)故障率降低到了每年3～4次，出現(xiàn)故障失效的概率與前期相比有了明顯降低。說明此次針對驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進工作是有效的，極大提升了驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)件的運行穩(wěn)定性和可靠性，為刮板輸送機的可靠穩(wěn)定運行奠定了堅實的基礎(chǔ)，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

以礦用SGB420/17型刮板輸送機為研究對象，在對驅(qū)動鏈輪進行靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。驅(qū)動鏈輪工作時出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大值達(dá)到了225.62 MPa，加上鏈輪處于循環(huán)載荷工作狀態(tài)，所以應(yīng)力集中部位容易出現(xiàn)壓潰、磨損等失效問題，縮短鏈輪的使用壽命。以鏈窩部位的結(jié)構(gòu)尺寸為優(yōu)化對象，以最大應(yīng)力值為優(yōu)化目標(biāo)開展優(yōu)化改進工作。在相同工況條件下，使得鏈輪的最大應(yīng)力值降低到了197.98 MPa，與優(yōu)化改進前相比降低了12.25%，取得了很好的效果。將優(yōu)化改進后的驅(qū)動鏈輪應(yīng)用到工程實踐中，發(fā)現(xiàn)整體運行良好，結(jié)構(gòu)件的故障率出現(xiàn)了明顯降低，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。