刮板輸送機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)

◎ 李召峰，王 錚，賈 煜，王佩琦，王振民

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

刮板輸送機(jī)可用于水平、傾斜和垂直方向輸送散體物料，特別適用于油脂加工廠含油物料的輸送和糧庫(kù)原糧的輸送。刮板輸送機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是使用范圍廣，輸送物料的種類(lèi)多；刮板輸送機(jī)密閉性非常好，輸送過(guò)程不漏灰、漏料，能防塵、防水；工藝布置十分靈活，容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)進(jìn)料或多點(diǎn)出料；安裝簡(jiǎn)單，操作、維修容易，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

1 刮板機(jī)概況

1.1 刮板機(jī)結(jié)構(gòu)分析

刮板輸送機(jī)種類(lèi)繁多，形式各異，可根據(jù)不同的原則加以分類(lèi)。按照用途及使用范圍可分為普通型和特殊型，普通型刮板機(jī)用于輸送一般性能的粉塵狀、小顆粒狀和小塊狀物料，特殊型刮板機(jī)輸送機(jī)用于輸送有某些特殊性能的散裝物料。按固定方式分類(lèi)可分為固定式和移動(dòng)式，刮板輸送機(jī)的機(jī)體和驅(qū)動(dòng)裝置均與基礎(chǔ)固接在一起，無(wú)法搬動(dòng)稱(chēng)為固定式。移動(dòng)式較少見(jiàn)，一般只對(duì)機(jī)槽寬度較小、輸送距離不長(zhǎng)的水平型刮板機(jī)采用移動(dòng)式結(jié)構(gòu)。按照承載性質(zhì)可分為重型和輕型，輸送物料容重γ＞9.8 kN·m-3的為重型，輸送物料容重γ≤9.8 kN·m-3的為輕型。按照輸送鏈條的結(jié)構(gòu)形式可分為模鍛鏈、滾子鏈和焊接彎板鏈[1]。本文主要研究普通型固定式輕型焊接彎板鏈刮板機(jī)，利用Inventor進(jìn)行了三維建模，如圖1所示。

1.2 工作過(guò)程分析

刮板輸送機(jī)頭尾鏈輪分別安裝于頭部和尾部，頭部鏈輪主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)輸送鏈條運(yùn)行，尾部鏈輪主要用來(lái)調(diào)節(jié)輸送鏈條的松緊程度。輸送鏈條和頭尾輪齒形互相嚙合，安裝在殼體內(nèi)，刮板焊接在輸送鏈條兩側(cè)，并在刮板上安裝超高分子聚乙烯板帶動(dòng)物料在殼體內(nèi)行走，通過(guò)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的頭輪最終實(shí)現(xiàn)物料輸送。刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)在頭部，可以靈活布置其方式，張緊裝置設(shè)計(jì)在尾部，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)兩根絲桿帶動(dòng)尾部?jī)蓚?cè)滑動(dòng)板滑動(dòng)調(diào)節(jié)鏈條的張緊。刮板機(jī)的進(jìn)料口設(shè)計(jì)在尾部上蓋處，出料口設(shè)計(jì)在頭部底板。物料從進(jìn)料口進(jìn)入刮板機(jī)機(jī)殼，鏈條刮板首先帶動(dòng)下層物料向機(jī)頭移動(dòng)，上層物料靠下層物料的內(nèi)摩擦力移動(dòng)，最終在機(jī)頭出料口卸出[2]。

刮板機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，不僅噪音大，阻力還非常大。因此，必須對(duì)中間段結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低噪音，減小運(yùn)行阻力，從而降低整條設(shè)備的功率。頭尾鏈輪作為埋刮板輸送機(jī)重要的承力結(jié)構(gòu)件，需要更高的可靠性及使用壽命。在刮板機(jī)所有的故障問(wèn)題中，頭尾鏈輪的磨損失效是最常見(jiàn)一種。針對(duì)頭尾鏈輪磨損嚴(yán)重、壽命較短的問(wèn)題，有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升頭尾輪結(jié)構(gòu)的耐磨性能。

2 刮板機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 中間段創(chuàng)新設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)刮板輸送機(jī)市場(chǎng)發(fā)展迅速，國(guó)外先進(jìn)的輸送設(shè)備不斷充斥著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，其先進(jìn)性主要表現(xiàn)在埋刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)形式的改變。市場(chǎng)上現(xiàn)有刮板輸送機(jī)中間段結(jié)構(gòu)件大同小異（見(jiàn)圖2），在中間段原結(jié)構(gòu)中，U型槽板與圓鋼焊接組成托架，U型槽板不僅3面打孔還需要兩邊折彎，圓鋼兩端需要上車(chē)床打孔，打孔后還需要攻螺紋孔。耐磨鋼板作為導(dǎo)軌打孔后與導(dǎo)軌托架采用沉頭螺栓連接，組成導(dǎo)軌托架。這種結(jié)構(gòu)存在很多缺點(diǎn)，主要有以下3點(diǎn)。①整個(gè)中間段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，浪費(fèi)原材料。②加工工藝多，U型槽板需要折彎、打孔，圓鋼兩端定位孔不僅需要精加工還要攻螺紋孔，制作導(dǎo)軌托架耗費(fèi)大量工時(shí)。③中間段即使在裝配過(guò)程中保證導(dǎo)軌托架高度一致，在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程也很難保證兩節(jié)連接處導(dǎo)軌在同一水平面。因此設(shè)備運(yùn)行需要較大的功率，噪聲也會(huì)很大。如果安裝誤差超過(guò)允許范圍，甚至可能拉斷輸送鏈條，嚴(yán)重可能損壞傳動(dòng)裝置。

中間段原結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。針對(duì)刮板機(jī)目前市場(chǎng)結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，本次中間段設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)。在中間段新結(jié)構(gòu)中，中間段導(dǎo)軌托架選擇合適材料、連接方式，嚴(yán)格準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)以及易實(shí)現(xiàn)的制造工藝，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，保證刮板機(jī)輸送、安全等性能不降低。采用一體式導(dǎo)軌托架，減重的同時(shí)增加了強(qiáng)度。托架橫撐采用型材空心方管制作無(wú)需打孔折彎攻絲，托架兩端連接板采用激光下料，整個(gè)托架可在胎具上完成焊接，保證托架制作精度[3]。上導(dǎo)軌采用NM400材料,一端超出中間段20 mm并向下彎曲，兩根導(dǎo)軌成八字形結(jié)構(gòu)與托架方管焊接在一起，焊接時(shí)無(wú)需胎具，因?yàn)橹虚g段兩塊側(cè)板與底板裝配完成后自成胎具，因此制作方便，并且裝配精度要求不高，導(dǎo)軌兩端開(kāi)口大小誤差可以在1～20 mm內(nèi)，高低誤差1～15 mm以?xún)?nèi)，能完美解決中間段連接處高低不平的問(wèn)題，降低設(shè)備噪音、減小運(yùn)行阻力。另外本次結(jié)構(gòu)在底板中間鋪設(shè)耐磨鋼板作為下導(dǎo)軌，減少了輸送鏈條在運(yùn)行過(guò)程中與底板的接觸面積，也很好地起到了降噪減阻的作用。整體結(jié)構(gòu)用料少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易制作，經(jīng)濟(jì)效益顯而易見(jiàn)。

圖2 中間段原結(jié)構(gòu)圖

圖3 中間段新結(jié)構(gòu)圖

2.2 頭尾輪的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

刮板機(jī)頭尾鏈輪齒形完全相同，唯一不同的就是輪轂內(nèi)孔直徑不同。由于輸送鏈條是通過(guò)頭輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)行走，而尾輪則是輸送鏈條帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的，因此頭尾輪磨損失效是很常見(jiàn)的。但是磨損的只是刮板機(jī)頭尾輪中與鏈條接觸的部分，即頭尾輪齒片，因此沒(méi)必要將刮板機(jī)頭尾輪整體更換。傳統(tǒng)的頭尾輪結(jié)構(gòu)整體更換時(shí)，首先需要拆除刮板機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾的蓋板，然后拆掉軸承以及密封圈，拿掉側(cè)板，取出頭尾軸組件，最后拔掉頭尾輪。安裝時(shí)需要用手拉葫蘆將頭尾輪組件吊裝到位，然后對(duì)軸線(xiàn)進(jìn)行找平，還要保證頭輪、尾輪軸互相平行并且垂直于輸送鏈條，最后組裝機(jī)頭尾。特別是對(duì)于機(jī)頭還要保證與驅(qū)動(dòng)裝置的同軸度、水平度，因此安裝過(guò)程耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。

本次頭輪創(chuàng)新設(shè)計(jì)采用裝配式頭尾輪，即輪轂（見(jiàn)圖4）與齒片（見(jiàn)圖5）采用裝配式結(jié)構(gòu)，輪轂與齒片采用專(zhuān)用鉸制孔用螺栓和防松螺母連接，裝配時(shí)鉸制孔螺栓需成對(duì)安裝，并且相鄰螺栓要正反安裝（見(jiàn)圖6），這種安裝方法既保證了整個(gè)頭輪齒形精度，又可防止齒片與輪轂在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)。齒片可單獨(dú)采用42CrMo制作，增加耐磨性。輪轂可繼續(xù)使用傳統(tǒng)45鋼制作，易加工整體非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。另外，齒片采用剖分式結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖7），將整個(gè)齒片沿剖切線(xiàn)一分為二然后裝配在輪轂上[4]。本結(jié)構(gòu)由于每個(gè)零部件重量輕，并通過(guò)螺栓連接，因此裝配方便快捷。當(dāng)頭尾輪齒形磨損嚴(yán)重需要更換時(shí)，可以不用拆開(kāi)整個(gè)機(jī)頭或者機(jī)尾，只需要拆掉上蓋板，松開(kāi)輸送鏈條，就能直接更換鏈輪齒片，維修十分方便，又避免了因?yàn)檎w更換使得其他完好的部件也被一起廢棄，造成不必要的浪費(fèi)，節(jié)約了材料成本。

圖4 輪轂圖

圖5 齒輪圖

圖6 頭尾輪裝配示意圖

2.3 機(jī)頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

刮板機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置一般安裝在機(jī)頭，因此設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中鏈條的拉力主要通過(guò)頭輪傳遞給側(cè)板，優(yōu)化側(cè)板結(jié)構(gòu)，不僅可以增強(qiáng)機(jī)頭穩(wěn)定性，還可以使傳動(dòng)更加平穩(wěn)，增加減速機(jī)、聯(lián)軸器等使用壽命。

圖7 齒片剖切示意圖

2.3.1 模型建立

利用Inventor軟件建立機(jī)頭側(cè)板的三維簡(jiǎn)易模型，本次建立兩種常用模型A和模型B（見(jiàn)圖8、圖9），這兩種模型的總重量十分接近，并且板厚相同。利用Inventor軟件環(huán)境中應(yīng)力分析模塊，建立機(jī)頭側(cè)板的有限元模型[5-6]。通過(guò)應(yīng)力分析和最大變形量來(lái)選擇最佳的機(jī)頭側(cè)板結(jié)構(gòu)。

圖8 模型A示意圖

圖9 模型B示意圖

2.3.2 網(wǎng)格劃分

首先對(duì)機(jī)頭側(cè)板的材料屬性進(jìn)行定義，材料設(shè)置為常用的Q235-A，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.26，材料密度為7.85 kg·m-3。采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式對(duì)機(jī)頭側(cè)板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后模型A包含311 736個(gè)節(jié)點(diǎn)，186 400個(gè)元素，模型B包含204 430個(gè)節(jié)點(diǎn)，118 302個(gè)元素，如圖10、圖11所示。

圖10 模型A網(wǎng)絡(luò)劃分圖

圖11 模型B網(wǎng)絡(luò)劃分圖

2.3.3 機(jī)頭側(cè)板靜力學(xué)分析

對(duì)兩個(gè)模型施加相同約束，即固定側(cè)板兩端法蘭。在軸承座板施加相同大小的均布力，力的大小為30 kN，方向朝向機(jī)尾端（見(jiàn)圖10、圖11中箭頭）。設(shè)定求解結(jié)果后，分別對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行求解，求解結(jié)果如圖12～15所示。

圖12 模型A Mises等效應(yīng)力圖

由圖12、圖13 Mises等效應(yīng)力云圖，可以看出模型A最大等效應(yīng)力為280.7 MPa，最大等效應(yīng)力都主要集中在側(cè)板與軸承座板連接處，因此該處需要嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，絕不允許出現(xiàn)任何缺陷，其余等效應(yīng)力值均小于Q235-A的屈服強(qiáng)度235 MPa。模型B最大等效應(yīng)力為359.9 MPpa，最大等效應(yīng)力主要集中在側(cè)板與軸承座板連接處，另外側(cè)板上下法蘭以及軸承座板有7個(gè)區(qū)域的等效應(yīng)力值在240 MPa左右，接近Q235-A的屈服強(qiáng)度235 MPa，非常容易發(fā)生塑性變形。

圖13 模型B Mises等效應(yīng)力圖

由圖14、圖15變形云圖，可以看出模型A最大變形1.245 mm，最大變形位于軸承座板的外側(cè)兩端紅色區(qū)域，且變形區(qū)域很小。模型B最大變形1.817 mm，最大變形位于筋板和側(cè)板連接處紅色區(qū)域，且側(cè)板有很大區(qū)域發(fā)生變形。

圖14 模型A變形云圖

圖15 模型B變形云圖

從以上分析的結(jié)果可以看出，在用料接近的前提下，施加相同大小的作用力，模型A的最大等效應(yīng)力小于模型B的最大等效應(yīng)力，整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有超過(guò)Q235-A屈服強(qiáng)度，并且模型A變形量小于模型B，變形區(qū)域也很小。因此模型A的結(jié)構(gòu)優(yōu)于模型B的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)刮板機(jī)中間段結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了設(shè)備耗材，降低了制作工藝難度，設(shè)備運(yùn)行阻力大和噪聲大的問(wèn)題得到了有效解決。頭尾輪采用裝配式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)制作以及后期維修成本大幅度降低。機(jī)頭側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，設(shè)備傳動(dòng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，故障明顯減少。這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得刮板機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，延長(zhǎng)了使用壽命，從而帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。