賀西煤礦刮板輸送機(jī)鏈輪鏈窩磨損原因仿真模擬分析

任晉平

（山西焦煤集團(tuán)汾西礦業(yè) 賀西煤礦，山西 柳林 033300）

1 概 況

煤炭掘進(jìn)工作基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，但依然存在安全隱患。刮板輸送機(jī)作為煤炭掘進(jìn)過(guò)程中的關(guān)鍵輸送設(shè)備，其工作周期長(zhǎng)、工況惡劣，運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)故障。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，刮板輸送機(jī)故障中傳動(dòng)系統(tǒng)的故障率最高，能夠占到50%左右，其中鏈輪磨損故障較為嚴(yán)重。鏈輪為鑄造件，易發(fā)生損壞，故障率約占傳動(dòng)系統(tǒng)的32.5%。賀西煤礦SGB620/40T 型刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為100 m，輸送量為150 t/h，鏈速0.86 m/s，工作中鏈輪磨損問(wèn)題嚴(yán)重，針對(duì)這一問(wèn)題，開(kāi)展原因分析與改進(jìn)策略研究。

2 仿真分析

2.1 三維模型建立

刮板輸送機(jī)鏈輪與圓環(huán)連的結(jié)構(gòu)較為特殊，直接采用ANSYS 仿真計(jì)算軟件進(jìn)行建模較為麻煩，因此，以SGB620/40T 刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)鏈輪作為研究對(duì)象，借助Pro/E 三維軟件進(jìn)行鏈輪和圓環(huán)連建模，之后進(jìn)行裝配形成刮板鏈，最后另存為.stp格式文件導(dǎo)入ANSYS 仿真軟件進(jìn)行前處理即可。

2.2 材料屬性

根據(jù)SGB620/40T 刮板輸送機(jī)實(shí)際情況，鏈輪采用30CrMnTi 合金鋼，該材料調(diào)質(zhì)滲碳處理之后具有外硬內(nèi)韌的特點(diǎn)，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.31，屈服強(qiáng)度為783.2 MPa； 與鏈輪配合使用的圓環(huán)連材料為23MnCrNiMo 合金鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.30，屈服強(qiáng)度為1 206.3 MPa。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分作為有限元仿真分析的重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系后續(xù)計(jì)算效率及結(jié)果。鏈輪和圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，全部等尺寸劃分網(wǎng)格對(duì)后續(xù)計(jì)算時(shí)間影響較大。因此，對(duì)鏈輪與圓環(huán)鏈裝配整體進(jìn)行自由劃分，對(duì)鏈輪與圓環(huán)鏈嚙合位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，設(shè)置單元格尺寸為3 mm。網(wǎng)格劃分之后的有限元仿真模型如圖1 所示。

圖1 有限元仿真模型Fig.1 Finite element simulation model

2.4 邊界條件與載荷施加

根據(jù)鏈輪與圓環(huán)鏈實(shí)際工況，進(jìn)行有限元模型的邊界條件設(shè)置，在鏈輪與圓環(huán)鏈運(yùn)行嚙合過(guò)程中，在平環(huán)和立環(huán)、輪齒和鏈環(huán)之間存在接觸關(guān)系，將其設(shè)置為Frictional 接觸，摩擦系數(shù)為0.2。設(shè)置鏈輪為繞Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鏈輪同時(shí)施加1843.2 N·m 扭矩載荷。

3 仿真計(jì)算

完成刮板輸送機(jī)鏈輪與圓環(huán)鏈仿真模型前處理之后即可進(jìn)行仿真計(jì)算，模擬鏈輪與圓環(huán)鏈裝配體不同工況下的受力情況，待仿真計(jì)算結(jié)束之后提取鏈輪的等效應(yīng)力、應(yīng)變和總變形分布云圖，進(jìn)一步分析鏈輪磨損嚴(yán)重的原因。

3.1 鏈輪等效應(yīng)力分布結(jié)果

賀西煤礦SGB620/40T 型刮板輸送機(jī)鏈輪不同工況下的等效應(yīng)力分布云圖如圖2 所示。由圖2 可以看出，所有工況條件下鏈輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在鏈輪鏈窩的邊緣位置，最大應(yīng)力值為293.32 MPa，即刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行、制動(dòng)和卡鏈工況運(yùn)行時(shí)，鏈輪鏈窩均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，是鏈輪鏈窩磨損問(wèn)題出現(xiàn)的主要原因。鏈輪輪齒從齒頂位置到齒根位置的應(yīng)力變化差距很大，究其原因可能是傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，特殊的鏈條結(jié)構(gòu)存在多邊形效應(yīng)，同時(shí)，實(shí)際工作過(guò)程中受到多因素的影響導(dǎo)致載荷多變。

圖2 不同工況下鏈輪等效應(yīng)力分布云圖Fig.2 Equivalent stress distribution nephogram of sprocket under different working conditions

3.2 鏈輪等效應(yīng)變分布結(jié)果

刮板輸送機(jī)鏈輪不同工況下的等效應(yīng)變分布云圖如圖3 所示。由圖3 可以看出，所有工況條件下鏈輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大等效應(yīng)變均出現(xiàn)在鏈輪鏈窩的邊緣位置，與等效應(yīng)力分析結(jié)果中的應(yīng)力集中位置一致。

圖3 不同工況下鏈輪等效應(yīng)變分布云圖Fig.3 Equivalent strain distribution nephogram of sprocket under different working conditions

3.3 鏈輪不同時(shí)刻總變形分布結(jié)果

為了進(jìn)一步研究刮板輸送機(jī)鏈輪運(yùn)行過(guò)程中總變形情況，提取了鏈輪運(yùn)行0.005 5、1.43、3.712 5、5.39 s 時(shí)的總形變?cè)茍D，如圖4 所示。由圖4 可以看出，不考慮鏈輪和圓環(huán)鏈配合工作過(guò)程中的接觸面積問(wèn)題情況下，鏈輪輪齒的齒頂位置存在較大的變形，從輪齒整體情況看，齒頂至齒根均存在著明顯的變形，變形趨勢(shì)是由齒根至齒頂越來(lái)越大。嚙合的鏈輪和圓環(huán)鏈運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定之后齒頂?shù)淖畲笞冃瘟肯噍^于鏈輪齒根位置的變形量要大很多。出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因可能是鏈輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，鏈輪在傳動(dòng)軸扭矩驅(qū)動(dòng)之下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，輪齒的齒頂位置相較于轉(zhuǎn)動(dòng)中心較遠(yuǎn)，承載能力較差，總變形量大，鏈輪鏈窩處于齒頂位置，因此，鏈窩磨損較為嚴(yán)重。

圖4 鏈輪不同時(shí)刻總變形分布云圖Fig.4 Distribution cloud diagram of total deformation of sprocket at different time

4 優(yōu)化策略

賀西煤礦SGB620/40T 型刮板輸送機(jī)鏈輪鏈窩位置與圓環(huán)鏈存在嚙合運(yùn)行，是其出現(xiàn)磨損的主要位置。結(jié)合上述仿真模擬結(jié)果，在此給出以下優(yōu)化改進(jìn)策略：一是磨損至影響刮板輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行情況時(shí)，為了保障設(shè)備安全運(yùn)行不出故障，及時(shí)更換新的鏈輪；二是從提高鏈輪鏈窩耐磨性出發(fā)，更換鏈輪制備材料，引入高強(qiáng)高韌合金材料，保證鏈輪運(yùn)行過(guò)程中整體強(qiáng)韌性；三是改進(jìn)鏈輪制造工藝，由鑄件改為鍛件，配合優(yōu)異的熱處理工藝提高鏈輪的整體性能；四是引入先進(jìn)的再制造技術(shù)，對(duì)磨損之后的鏈輪進(jìn)行修復(fù)再利用，使其達(dá)到磨損之前的性能狀態(tài)，滿(mǎn)足刮板輸送機(jī)對(duì)鏈輪使用的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

刮板輸送機(jī)作為煤炭掘進(jìn)過(guò)程中的重要運(yùn)輸裝置，其工作的穩(wěn)定性非常重要。針對(duì)賀西煤礦SGB620/40T 型刮板輸送機(jī)鏈輪磨損問(wèn)題，運(yùn)用ANSYS 有限元仿真分析軟件進(jìn)行仿真模擬研究，分析其磨損嚴(yán)重的原因。結(jié)果表明，刮板輸送機(jī)在啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)行、制動(dòng)和卡鏈工況運(yùn)行時(shí)，鏈輪鏈窩均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力數(shù)值為293.32 MPa，對(duì)應(yīng)的鏈輪鏈窩位置的應(yīng)變也是最大的，故而易出現(xiàn)鏈窩磨損問(wèn)題；同時(shí)分析了鏈輪的總變形情況，表明鏈輪鏈齒齒頂位置的變形大于齒根位置，當(dāng)磨損較為嚴(yán)重時(shí)，易出現(xiàn)鏈輪斷齒故障。最后提出了4 種優(yōu)化改進(jìn)鏈輪的策略，保障刮板輸送機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。