關(guān)于刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的靜力學(xué)分析及其優(yōu)化研究

畢國生

（潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司慈林山煤礦，山西 長子 046600）

引言

刮板輸送機(jī)是采煤工作面中非常重要的機(jī)電裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦物料的連續(xù)運(yùn)輸，主要作用是將采煤機(jī)開采得到的煤礦物料輸送到帶式輸送機(jī)或者破碎機(jī)中，其性能好壞會(huì)對(duì)煤礦開采效率產(chǎn)生重要的影響[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，刮板輸送機(jī)也朝著大型化、高效化方向發(fā)展，這給刮板輸送機(jī)自身機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，有必要對(duì)其關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)件進(jìn)行升級(jí)改造[2]。驅(qū)動(dòng)鏈輪是刮板輸送機(jī)中非常重要的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)件，工作時(shí)需要承受非常大的作用力，并且受力具有周期性的特點(diǎn)，容易產(chǎn)生疲勞損傷[3-4]。因此，有必要對(duì)刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)鏈輪進(jìn)行分析和研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[5]。本文主要以SGB420/17 型刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪進(jìn)行靜力學(xué)分析并開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)工作，取得了很好的應(yīng)用效果。

1 驅(qū)動(dòng)鏈輪靜力學(xué)模型的建立

1.1 三維模型的建立

本文主要以SGB420/17 型刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪為研究對(duì)象，該型號(hào)設(shè)備的裝機(jī)功率和輸送速度分別為17 kW 和50 t/h，設(shè)備整體長度為50 m，采用邊雙鏈的形式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中鏈條的規(guī)格為Φ24 mm×50 mm，工作時(shí)鏈條的運(yùn)行速度為0.78 m/s。驅(qū)動(dòng)鏈輪方面，其總齒數(shù)為7 個(gè)，節(jié)圓直徑和外圓直徑分別為225 mm 和253 mm，立環(huán)槽直徑和寬度分別為164 mm 和20 mm。齒形弧半徑和齒根圓弧半徑分別為29 mm 和7 mm，鏈窩弧半徑和長度分別為25 mm 和82 mm，短齒厚度為46 mm。為了更加真實(shí)地反映驅(qū)動(dòng)鏈輪的受力結(jié)果，在建立模型時(shí)嚴(yán)格按照驅(qū)動(dòng)鏈輪的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，采用的建模工具為Solidworks 軟件。另一方面，為了在確保計(jì)算結(jié)果精度的同時(shí)，縮短模型計(jì)算時(shí)間，對(duì)于驅(qū)動(dòng)鏈輪中的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，比如倒圓、倒角等均作忽略處理。如圖1 所示為SGB420/17 型刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪三維幾何模型。

圖1 驅(qū)動(dòng)鏈輪的三維幾何模型

1.2 有限元模型的建立

將Solidworks 軟件建立的三維模型保存為IGS通用格式后，導(dǎo)入到Ansys 軟件中進(jìn)行有限元模型的建立。

首先，需要對(duì)模型的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。驅(qū)動(dòng)鏈輪使用的材料為30CrMnTi，屬于合金鋼，具有相對(duì)很好的強(qiáng)度，其密度大小為7 860 kg/m3，彈性模量和泊松比分別為206 GPa 和0.3。另外，為了更好地完成驅(qū)動(dòng)鏈輪的靜力學(xué)分析工作，還建立了鏈條的模型，其材料為24MnCrNiMo，密度與驅(qū)動(dòng)鏈輪材料相同，彈性模量和泊松比分別為210 GPa 和0.25。

其次，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型和數(shù)量會(huì)對(duì)模型計(jì)算過程和結(jié)果產(chǎn)生比較重要的影響。為了保障結(jié)果進(jìn)度的同時(shí)，縮短模型計(jì)算時(shí)間，本研究中采用局部網(wǎng)格細(xì)化處理，即鏈輪中與鏈條接觸的部位網(wǎng)格劃分的較小，其他部位網(wǎng)格劃分的較大。選用的是六面體網(wǎng)格，最終劃分得到了網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為15 324 和17 693。如下頁圖2 所示為驅(qū)動(dòng)鏈輪與鏈條的配合及網(wǎng)格劃分情況。

圖2 驅(qū)動(dòng)鏈輪與鏈條的配合及網(wǎng)格劃分情況

最后，邊界條件設(shè)置。將鏈條與驅(qū)動(dòng)鏈輪之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.25，沿著鏈條方向上施加的作用力大小為7.3 kN。

2 驅(qū)動(dòng)鏈輪靜力學(xué)結(jié)果分析

完成有限元模型的建立工作以后，就可以調(diào)用軟件中的分析計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。如圖3 所示為刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的靜力學(xué)有限元分析結(jié)果。由于驅(qū)動(dòng)鏈輪工作時(shí)需要不停地旋轉(zhuǎn)，所以鏈輪的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)刻發(fā)生變化。圖3 中所示為部分鏈齒的受力情況最大時(shí)的情形。由圖3 可以看出，鏈輪的應(yīng)力分布非常不均勻，應(yīng)力主要集中在為數(shù)不多的鏈齒上，絕大部分鏈齒的應(yīng)力幾乎為零。即便在同一個(gè)鏈齒上，不同位置的應(yīng)力分布也非常不均勻。應(yīng)力主要集中在鏈齒的鏈窩部位，更具體的是在鏈窩弧面靠近中間部位的應(yīng)力比較大，最大的應(yīng)力值為220 MPa。

圖3 驅(qū)動(dòng)鏈輪的靜力學(xué)分析結(jié)果

刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪工作時(shí)需要做旋轉(zhuǎn)周期運(yùn)動(dòng)，意味著鏈齒鏈窩部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象也會(huì)呈現(xiàn)周期性變化。使得驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈齒部位特別容易出現(xiàn)疲勞損傷，從而加劇該部位的磨損，降低驅(qū)動(dòng)鏈輪的運(yùn)行可靠性，縮短其使用壽命?；诖?，有必要對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪鏈齒鏈窩部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在確保外部工作環(huán)境相同的情況下，降低鏈窩部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化思路

已有的研究表明，驅(qū)動(dòng)鏈輪所有的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，短尺厚度、齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑以及鏈窩弧半徑對(duì)結(jié)構(gòu)的受力情況影響最為顯著[6]。因此，本研究中選用以上四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化變量，以結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力集中最大值為優(yōu)化目標(biāo)開展優(yōu)化工作。如表1 所示為四個(gè)優(yōu)化變量的變化范圍。

表1 優(yōu)化變量及其變化范圍 mm

優(yōu)化工作仍然利用Solidworks 和Ansys 軟件進(jìn)行，基本的優(yōu)化思路就是根據(jù)以上四個(gè)優(yōu)化變量的取值進(jìn)行匹配，并根據(jù)匹配的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立有限元模型進(jìn)行分析，對(duì)不同組合形式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驅(qū)動(dòng)鏈輪應(yīng)力最小作為最終的優(yōu)化結(jié)果。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過分析計(jì)算后發(fā)現(xiàn)當(dāng)短尺厚度、齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑以及鏈窩弧半徑分別為46 mm、7 mm、29 mm 和24 mm 時(shí)，驅(qū)動(dòng)鏈輪的應(yīng)力集中現(xiàn)象最不顯著，將以上結(jié)構(gòu)參數(shù)作為最終的結(jié)果。如圖4所設(shè)為優(yōu)化改進(jìn)后的刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪靜力學(xué)分析結(jié)果。由圖4 可以看出，優(yōu)化改進(jìn)前后驅(qū)動(dòng)鏈輪的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，即不同部位的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不均勻性。只有局部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而絕大部分位置的應(yīng)力都相對(duì)要小很多。另外，出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位仍然在鏈輪鏈窩區(qū)域。進(jìn)一步對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后應(yīng)力集中的位置出現(xiàn)了些許偏移，應(yīng)力集中的最大值為165 MPa。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后驅(qū)動(dòng)鏈輪的靜力學(xué)分析結(jié)果

通過對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)了很大程度的降低，由優(yōu)化前的220 MPa 降低到了優(yōu)化后的165 MPa，降低幅度達(dá)到了25%?？紤]到驅(qū)動(dòng)鏈輪工作時(shí)需要承受周期性載荷，應(yīng)力集中現(xiàn)象的削弱，意味著結(jié)構(gòu)件更不容易出現(xiàn)應(yīng)力損傷現(xiàn)象，能顯著延長結(jié)構(gòu)件的使用壽命，降低運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障的概率。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的實(shí)際應(yīng)用效果，將以上優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到SGB420/17 型刮板輸送機(jī)中，并對(duì)其實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了連續(xù)三個(gè)月時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于沒有對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的整體結(jié)構(gòu)做大的改進(jìn)，只是對(duì)局部結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，所以驅(qū)動(dòng)鏈輪整體運(yùn)行非常穩(wěn)定、良好，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。對(duì)技術(shù)改進(jìn)前后驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)的故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，通過此次技術(shù)改造，使得驅(qū)動(dòng)鏈輪部位的故障率降低了30%以上。故障率的降低，不僅為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本，同時(shí)還延長了設(shè)備的開機(jī)時(shí)間，為煤礦開采效率的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。綜上，此次刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的技術(shù)改進(jìn)工作，達(dá)到了預(yù)期效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文主要以SGB420/17 型刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)驅(qū)動(dòng)鏈輪的靜力學(xué)進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果如下：

1）通過靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)鏈輪的鏈窩部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，再加上驅(qū)動(dòng)鏈輪的周期性旋轉(zhuǎn)，使得鏈窩部位特別容易出現(xiàn)疲勞損傷，進(jìn)而出現(xiàn)故障問題。

2）以驅(qū)動(dòng)鏈輪四個(gè)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量開展優(yōu)化改進(jìn)工作，取得很好的效果，最大應(yīng)力值的降低幅度達(dá)到25%。

3）將優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到刮板輸送機(jī)工程實(shí)踐中，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)運(yùn)行良好，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。