SGZ800/800型刮板輸送機(jī)鏈輪的結(jié)構(gòu)性能研究

張鵬舉

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司一礦，山西 陽泉045000）

引言

礦用刮板輸送機(jī)作為煤礦運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，由于其經(jīng)常會(huì)因使用環(huán)境的惡劣、超負(fù)載運(yùn)行以及超長時(shí)間作業(yè)而出現(xiàn)鏈輪、鏈條打滑、開裂及斷裂、電機(jī)燒壞等現(xiàn)象。由于鏈輪是刮板機(jī)上的關(guān)鍵部件，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)性能，減少其結(jié)構(gòu)的故障失效現(xiàn)象，對提高設(shè)備的工作效率和煤礦產(chǎn)量至關(guān)重要[1]。因此，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的有限元分析技術(shù)，通過理論分析方法，對SGZ800/800型刮板輸送機(jī)上鏈輪的結(jié)構(gòu)性能分析研究。

1 鏈輪常見失效形式分析

礦用刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)主要由機(jī)頭、機(jī)尾、動(dòng)力部、尾部過渡槽、墊架等部件組成，通過各部件的相互配合，可實(shí)現(xiàn)對采煤工作面中煤礦的運(yùn)輸、裝載、卸載等操作，實(shí)現(xiàn)對煤礦的清理及運(yùn)輸作用。傳動(dòng)方向?yàn)椋和ㄟ^液力耦合器和減速器的相互配合，將動(dòng)力傳遞至鏈輪組合件上，由此帶動(dòng)刮板鏈進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的運(yùn)轉(zhuǎn)作用[2]。

鏈輪作為刮板輸送機(jī)上的關(guān)鍵部件，在其工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、輪齒壓潰、輪齒開裂或斷裂等失效現(xiàn)象。其中，鏈輪的磨損主要是鏈輪表面的疲勞磨損和磨粒磨損，由于鏈輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，會(huì)受到較大的外部接觸壓力，并作用在鏈輪的表面，隨著循環(huán)力的不斷深入，裂紋將逐步向鏈輪內(nèi)部進(jìn)行移動(dòng)，最終使得零件表面發(fā)生凹坑現(xiàn)象，形成了鏈輪的疲勞磨損失效。磨粒磨損則主要是由于外部的較多雜質(zhì)夾雜在鏈輪與鏈條的受力接觸面中，雜質(zhì)被擠到鏈窩表面內(nèi)，在較大的外界拉力作用下，會(huì)使得接觸面發(fā)生較大的相互摩擦作用，最終造成鏈輪出現(xiàn)磨粒磨損失效現(xiàn)象[3]。另外，鏈輪的壓潰失效主要是由于鏈輪在生產(chǎn)過程中未按標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，省略了必要的工序，或選用了不合格材料等引起，加上鏈輪長時(shí)間受到較大的載荷作用，特別是設(shè)備的過載啟動(dòng)瞬間，導(dǎo)致鏈輪發(fā)生了不同程度的塑形變形現(xiàn)象，進(jìn)而使鏈輪出現(xiàn)了穩(wěn)定磨損現(xiàn)象[4]。鏈輪的失效圖如圖1所示。

圖1 鏈輪斷裂失效圖

2 鏈輪與鏈條模型建立

2.1 鏈輪與鏈條接觸模型建立

結(jié)合SGZ800/800型刮板輸送機(jī)的零部件特點(diǎn)，采用SolidWorks軟件，對設(shè)備中的鏈輪和鏈條進(jìn)行了三維模型建立。經(jīng)查閱資料，可知鏈輪的外徑為253 mm，力環(huán)槽直徑為164 mm，齒厚為46 mm，齒數(shù)為7，鏈輪關(guān)鍵尺寸如下頁表1所示，鏈條為標(biāo)準(zhǔn)成熟件，其尺寸與鏈輪輪齒相匹配。為減少鏈輪和鏈條上非關(guān)鍵圓弧及過渡圓角對整個(gè)結(jié)果的分析精度，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在模型建立過程中，對鏈輪和鏈條進(jìn)行了模型簡化，僅保留了零件上的關(guān)鍵特征，并對鏈輪上的定位銷孔也進(jìn)行了特征簡化，由此，完成了刮板輸送機(jī)鏈輪與鏈條的三維模型，如下頁圖2所示。

2.2 模型材料確定

經(jīng)查閱資料，鏈條采用的是23MnCrNiMo材料，鏈輪采用的是30GrMnTi材料，兩種零件具有相近的材料性能[5]，其主要性能參數(shù)如下頁表2所示。采用此材料在使用過程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性形變，零件之間的磨損程度會(huì)相對較小。故在模型建立過程中，將對兩種零件進(jìn)行此種材料設(shè)置。

表1 鏈輪關(guān)鍵尺寸表

圖2 鏈輪與鏈條三維模型圖

表2 鏈輪和鏈條材料主要性能參數(shù)

2.3 仿真模型建立

結(jié)合建立的鏈輪與鏈條三維模型，將其倒入ABAQUS軟件中，進(jìn)行了仿真模型建立。在軟件中，采用了布爾運(yùn)行，對模型進(jìn)行了切割劃分，并對模型進(jìn)行了四面體網(wǎng)格自動(dòng)切割，網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm。由于鏈窩、輪齒、圓環(huán)鏈等接觸部位為受力關(guān)鍵部位，故對其進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm。鏈輪與鏈條的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。由于鏈輪與鏈條之間存在一定摩擦接觸，在軟件中設(shè)置了靜摩擦系數(shù)為0.3，動(dòng)摩擦系數(shù)0.2，并將鏈條上的拉力設(shè)置為8 kN，仿真時(shí)間為0.12 s，鍵槽處設(shè)置為固定約束。由此，完成了鏈輪與鏈條的仿真模型建立。

圖3 鏈輪與鏈條網(wǎng)格劃分圖

3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

結(jié)合建立的鏈輪與鏈條仿真模型，得到了其結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖，如圖4所示。由圖可知，鏈輪與鏈條在受力過程中出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于本文研究的重點(diǎn)為鏈輪，故隱藏了鏈條結(jié)構(gòu)，得到鏈輪的鏈窩部位出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在鏈窩與鏈條接觸的內(nèi)側(cè)面和鏈輪底部的中間立環(huán)槽部位的應(yīng)力值則相對最大，最大應(yīng)力達(dá)到270 MPa，其他部位的應(yīng)力值則相對較小。鏈輪在時(shí)間的較大外界作用力情況下，極容易率先在鏈窩內(nèi)側(cè)面出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂或斷裂現(xiàn)象，此部位成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦出現(xiàn)失效現(xiàn)象，將極容易造成設(shè)備的停機(jī)檢修，給設(shè)備及工作環(huán)境的作業(yè)安全也將構(gòu)成重要影響。因此，有必要對鏈輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

圖4 鏈輪與鏈條應(yīng)力（Pa）分布圖

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

4.1 鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化定型

結(jié)合前文對鏈輪與鏈條嚙合時(shí)的受力情況分析可知，鏈輪的鏈窩部位是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。為此，采用了當(dāng)前成熟的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對鏈輪的輪齒厚度、齒形圓弧半徑、鏈窩弧半徑、齒根圓弧半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化分析[6]，即：主要改變此四組試驗(yàn)元素的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，進(jìn)行9組試驗(yàn)參數(shù)的組合優(yōu)化試驗(yàn)分析。最終得出了最優(yōu)的輪齒結(jié)構(gòu)參數(shù)值，如表3所示。

表3 優(yōu)化后鏈輪關(guān)鍵參數(shù)

4.2 優(yōu)化后鏈輪結(jié)構(gòu)性能分析

按照最優(yōu)的鏈輪參數(shù)，采用SolidWorks軟件，建立了優(yōu)化后的鏈輪結(jié)構(gòu)模型，通過設(shè)置相同優(yōu)化參數(shù)，開展了優(yōu)化后鏈輪的結(jié)構(gòu)性能研究，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖如下頁圖5所示。由圖可知，優(yōu)化的鏈輪與鏈條之間的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯降低，最大應(yīng)力值也從原來的270 MPa降低至192 MPa，鏈窩處的應(yīng)力值也相應(yīng)減少。由此可知，優(yōu)化后的鏈輪結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)性能，不僅提高了鏈輪的使用壽命及設(shè)備的正常運(yùn)行效率，而且具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 優(yōu)化后鏈輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力（Pa）分布圖

5 結(jié)語

采用當(dāng)前先進(jìn)成熟的有限元分析方法，開展鏈輪的結(jié)構(gòu)性能提升研究，已成為當(dāng)前的重要的研究手段。有效保障鏈輪的結(jié)構(gòu)性能，減少其結(jié)構(gòu)磨損程度和故障發(fā)生率，不僅能有效延長鏈輪的使用壽命，也能提升鏈輪及刮板輸送機(jī)的工效率，提升煤礦產(chǎn)量。本文的研究成果對減少企業(yè)的研發(fā)費(fèi)用投入、保障產(chǎn)品性能具有重要意義，也為刮板輸送機(jī)上其他部件的結(jié)構(gòu)性能研究提供指導(dǎo)思路。