刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化研究

段曉波

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電呂梁山煤電有限公司， 山西 方山 033100）

引言

刮板輸送機(jī)作為采煤工作面中常用連續(xù)輸送設(shè)備，隨著各類科學(xué)技術(shù)的影響，其也開始實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化發(fā)展，此種發(fā)展對刮板輸送機(jī)整體結(jié)構(gòu)及各零部件提出更高的實(shí)際要求，所以為滿足發(fā)展要求，需要對刮板輸送機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析研究。驅(qū)動(dòng)輪鏈作為刮板輸送機(jī)最重要的零部件之一，對其進(jìn)行優(yōu)化完善，將可以有效提高刮板輸送機(jī)的整體性能[1]。因此，對刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化分析，將有著一定的研究價(jià)值。

1 刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈的主要失效形式

刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈?zhǔn)е饕憩F(xiàn)為磨損、壓潰、斷齒三種形式，其中磨損是指驅(qū)動(dòng)輪鏈在持續(xù)運(yùn)行過程中形成的疲勞磨損和磨粒磨損；壓潰則是指驅(qū)動(dòng)輪鏈在加工過程中未嚴(yán)格按照必要的加工工序進(jìn)行加工，或者所采用材料性能不符合要求等情況導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪鏈整體性能不符合設(shè)計(jì)要求，最終導(dǎo)致使用中出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪鏈形變；斷齒則是指刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過載啟動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪鏈?zhǔn)┘恿Τ^齒輪輪齒整體材料性能，但事實(shí)上驅(qū)動(dòng)輪鏈較少出現(xiàn)斷齒問題，其他兩種失效形式發(fā)生概率較高[2]。

2 基于ANSYS 軟件的驅(qū)動(dòng)輪鏈模型構(gòu)建

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

本文將以SGB420/17 刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈為研究對象，通過ANSYS 有限元分析軟件對驅(qū)動(dòng)輪鏈?zhǔn)芰μ卣鬟M(jìn)行仿真分析，基于驅(qū)動(dòng)輪鏈實(shí)際特點(diǎn)，構(gòu)建三維立體模型如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)輪鏈與鏈窩三維模型

將驅(qū)動(dòng)輪鏈與鏈窩三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中，并將驅(qū)動(dòng)輪鏈與圓環(huán)鏈相結(jié)合，進(jìn)而形成接觸模型如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)輪鏈與圓環(huán)鏈接觸模型

2.2 模型網(wǎng)格劃分

通過ANSYS 軟件對圖2 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但由于驅(qū)動(dòng)輪鏈整體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所以在網(wǎng)格劃分中將會(huì)選擇自動(dòng)劃分模式，以此來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪鏈與圓環(huán)鏈接觸模型的具體網(wǎng)格細(xì)化。此外，為保障網(wǎng)格劃分后模型有限元分析的精準(zhǔn)性，還需要合理設(shè)置各單元參數(shù)，此過程中驅(qū)動(dòng)輪鏈齒底面、鏈窩齒形圓側(cè)面以及圓環(huán)鏈的網(wǎng)格單元邊長將會(huì)分別設(shè)置為0.003 m，而窩鏈齒根側(cè)面網(wǎng)格單元邊長則會(huì)設(shè)置為0.001 m，其他部位的網(wǎng)格單元邊長則會(huì)設(shè)置為0.01 m。具體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

2.3 模型接觸計(jì)算分析

基于圖3 中的網(wǎng)格劃分結(jié)果，通過ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析，進(jìn)而獲取模型接觸計(jì)算結(jié)果如下頁圖4 所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖

如下頁圖4 所示，通過有限元分析可知，驅(qū)動(dòng)輪鏈在運(yùn)行時(shí)應(yīng)力主要集中在窩鏈位置，其中應(yīng)力集中點(diǎn)處于窩鏈底部平面與側(cè)面立環(huán)槽等位置，其他部位的驅(qū)動(dòng)輪鏈?zhǔn)芰t相對較小[3]，其中最大應(yīng)力值為168.2 MPa，最大變形值為0.001 142 m。

圖4 驅(qū)動(dòng)輪鏈和窩鏈應(yīng)力變化云圖

3 刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中會(huì)分別對驅(qū)動(dòng)輪鏈的短齒厚度、齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑以及窩鏈弧半徑4 種參數(shù)進(jìn)行分析研究，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定各類參數(shù)的權(quán)重，為后續(xù)驅(qū)動(dòng)輪鏈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供結(jié)果參考[4-5]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，從中確定4 種參數(shù)值：A 為短齒厚度分別為46 mm、45 mm、44 mm；B 為齒根圓弧半徑分別為 6 mm、7 mm、8 mm；C 為齒形圓弧半徑分別為 29 mm、28 mm、30 mm；D 為窩鏈弧半徑分別為25 mm、24 mm、23 mm。

3.2 正交試驗(yàn)分析

基于4 種參數(shù)及其取值進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，具體分析結(jié)果如表1 所示。

通常情況下，為保障驅(qū)動(dòng)輪鏈?zhǔn)褂冒踩?，要求其運(yùn)行所受應(yīng)力值盡可能較低。結(jié)合表1 可知，在9種正交試驗(yàn)方案中，方案2 和方案7 的最大應(yīng)力值最小。同時(shí)，Ri值可用于判斷該類因素對正交試驗(yàn)分析結(jié)果的影響權(quán)重，其中數(shù)值越大，說明此項(xiàng)因素對正交試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。由表1 可知，B 因素權(quán)重最大，C 因素和D 因素其次，A 因素相對較小。由此可見，4 種因素的權(quán)重排序?yàn)辇X根圓弧半徑、窩鏈弧半徑、齒形圓弧半徑、短齒厚度。以此為基礎(chǔ)開展二次正交試驗(yàn)優(yōu)化，此過程中將會(huì)優(yōu)先考慮B、D、C 三種權(quán)重較高的因素，進(jìn)而通過正交試驗(yàn)獲取3 種最佳試驗(yàn)結(jié)果如下：結(jié)果一為 A（46 mm）、B（7 mm）、C（29 mm）、D（24 mm）；結(jié)果二為 A（44 mm）、B（6 mm）、C（30 mm）、D（24 mm）；結(jié)果三為 A（46 mm）、B（7 mm）、C（30 mm）、D（24 mm）。

表1 正交試驗(yàn)分析結(jié)果

通過兩次正交試驗(yàn)所獲取的結(jié)果中，4 種參數(shù)中，齒根圓弧半徑、窩鏈弧半徑、齒形圓弧半徑均小于現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)輪鏈的尺寸參考，而短齒厚度對試驗(yàn)所造成的影響相對較小，所以可以在參數(shù)確定時(shí)應(yīng)以其他3種參數(shù)為主要參考。綜合分析后，在設(shè)計(jì)中將會(huì)增加齒輪圓弧半徑，減少齒根圓弧半徑、窩鏈弧半徑。

3.3 基于正交試驗(yàn)的模型優(yōu)化分析

在兩次正交試驗(yàn)后所獲取的最佳試驗(yàn)結(jié)果中選擇第3 種結(jié)果進(jìn)行仿真模型分析，最終獲取優(yōu)化后模型有限元分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后模型有限元分析結(jié)果

由圖5 可知，優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)輪鏈模型的最大應(yīng)力區(qū)域雖然沒有發(fā)生較大變化，但最大應(yīng)力值和最大變形值卻分別變化為156.7 MPa 和0.001 067 m，均低于原有驅(qū)動(dòng)輪鏈有限元分析中所獲取的最大應(yīng)力和最大變形值，說明此設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)有效性。

4 應(yīng)用效果評價(jià)

相對于原有驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)中齒根圓弧半徑和窩鏈弧半徑分別減小4.7%和3.6%，齒形圓弧半徑則增大3.4%，將此優(yōu)化方案應(yīng)用于工程實(shí)踐，并開展為期6 個(gè)月的工程應(yīng)用實(shí)踐，最終發(fā)現(xiàn)相對于原有驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用實(shí)踐期間并沒有表現(xiàn)出過多故障情況，并且相對于原有驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)來說，優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)更適用于刮板輸送機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境，有效保障刮板輸送機(jī)的長時(shí)間持續(xù)工作效果，避免因驅(qū)動(dòng)輪鏈故障所引發(fā)的刮板輸送機(jī)故障停止情況，進(jìn)而綜合保障生產(chǎn)安全性和整體經(jīng)濟(jì)效益，值得在后續(xù)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中進(jìn)行參考應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文通過有限元分析與正交試驗(yàn)分析相結(jié)合的方式對刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析研究，在此過程中獲取以下研究結(jié)果：在驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度4 種主要影響參數(shù)中，根據(jù)影響權(quán)重由大到小可將4種影響參數(shù)排序?yàn)辇X根圓弧半徑、窩鏈弧半徑、齒形圓弧半徑、短齒厚度。通過兩次正交試驗(yàn)法對4 種參數(shù)權(quán)重進(jìn)行分別研究分析，進(jìn)而獲取3 種最佳優(yōu)化方案，選取第3 種優(yōu)化方案進(jìn)行模型有限元分析后，確認(rèn)優(yōu)化后方案相較于原有方案具有一定優(yōu)勢。

本研究雖然獲取一定的研究結(jié)果，但由于研究中主要以SGB420/17 刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈為研究對象，所以具體研究結(jié)果在應(yīng)用于其他刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鏈時(shí)可能會(huì)存在一定的不適用情況，此種問題需要在后續(xù)研究中引入其他類型驅(qū)動(dòng)輪鏈進(jìn)行補(bǔ)充完善。即便如此，本研究仍然具有一定的參考價(jià)值，可為后續(xù)驅(qū)動(dòng)輪鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定理論參考。