刮板輸送機驅動鏈輪結構的優(yōu)化研究分析

王九懷

（山西中陽華潤聯(lián)盛南山煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033000）

1 驅動鏈輪磨損失效分析

驅動鏈輪主要的失效形式為磨損、壓潰及斷齒。其中磨損又可分為內部磨粒磨損和表面疲勞磨損，疲勞磨損則是由于當圓環(huán)鏈與鏈輪鏈窩接觸時，在其接觸表面出現(xiàn)最大壓應力，同時最大的切應力出現(xiàn)在表層下。長此以久后接觸表面在切應力的作用下出現(xiàn)裂縫，形成表面磨損。而顆粒磨損則是由于鏈輪在工作時，硬物質顆粒造成鏈輪和圓環(huán)鏈接觸位置出現(xiàn)摩擦，造成磨粒磨損[1-3]。驅動鏈輪的磨損情況直接關系到其壽命情況，所以驅動鏈輪工作越平穩(wěn)鏈輪的壽命越長。

2 驅動鏈輪數(shù)值模擬研究

為了有效地提升驅動鏈輪的使用壽命，通過采用ANSYS數(shù)值模擬軟件對驅動鏈輪在工作過程中的力學特性進行分析，通過分析斷齒的厚度、齒形的圓弧半徑等結構參數(shù)，確定了驅動鏈輪最優(yōu)的結構設計方案。

首先進行建模過程，選用圓環(huán)的材料為23MnCrNiMo，材料的彈性模量為210 GPa，密度為7 860 kg/m3，材料的泊松比為0.25。選用驅動鏈輪的材料為30CrMnTi，材料的彈性模量為206 GPa，密度為7 860 kg/m3，材料的泊松比為0.3。完成參數(shù)設定后對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時要充分考慮電腦的計算性能及模擬所需的計算精度。選擇在輪齒、齒根、圓環(huán)鏈等位置進行網(wǎng)格細化分。網(wǎng)格劃分完成后對模型的相互作用進行設置，設置鏈環(huán)與鏈輪間為摩擦接觸，靜摩擦系數(shù)及動摩擦系數(shù)分別為0.3、0.2。給定鏈條的作用力為7.3 kN。完成設置后對模型進行模擬計算，計算的結果如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前應力（Pa）變化云圖

從圖1可以看出，在驅動部件運行時，鏈輪的鏈窩位置應力較大，同時在鏈窩側部靠近中間立槽的位置出現(xiàn)應力最大值，其余位置的應力較小。對驅動部件進行優(yōu)化，選擇正交優(yōu)化[4]的方案對齒根圓半徑、短齒的厚度、鏈窩弧半徑及齒根圓弧半徑進行優(yōu)化。首先命名短齒的厚度為A、齒根圓半徑為B、齒根圓弧半徑為C、鏈窩弧半徑為D，分別選取A、B、C、D四種結構參數(shù)的三個水平。正交參數(shù)水平表如表1所示。

表1 正交參數(shù)水平表

按照正交的原則對各種條件進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結果發(fā)現(xiàn)短齒的厚度對模擬的結果影響較小，這是由于在鏈輪與圓環(huán)接觸后，此時的應力最大值出現(xiàn)在鏈窩的側端部，當驅動鏈輪運行平穩(wěn)性較差時，此時的鏈窩底部與鏈環(huán)間的摩擦增大，齒根部的應力集中現(xiàn)象相較與其余部位最大，當加大齒根圓弧的半徑后，此時的鏈輪的受力由側端部轉移至鏈窩地面的位置。所以齒根圓半徑、齒根圓弧半徑、鏈窩弧半徑三個參數(shù)對模擬應力的影響最大，且齒根圓弧半徑是影響最大的因素。

所以僅對齒根圓半徑、齒根圓弧半徑、鏈窩弧半徑的拋物線曲線擬合。擬合的結果如表2、表3及表4所示。

表2 齒根圓半徑擬合曲線表

表3 齒根圓弧半徑擬合曲線表

表4 鏈窩弧半徑擬合曲線表

根據(jù)正交實驗的模擬結果及齒根圓半徑，齒根圓弧半徑，鏈窩弧半徑的拋物線曲線擬合得出了參數(shù)的最佳設計參數(shù)，齒根圓半徑6.7 mm，齒根圓弧半徑30 mm，鏈窩弧半徑24.1 mm。按照最優(yōu)的設計參數(shù)進行驅動鏈輪的建模，對所建模型進行計算，計算結果如圖2所示。

根據(jù)云圖可以看出，刮板輸送機的驅動鏈輪整體應力分布較為均勻，僅在鏈窩側部靠近中間立槽的位置出現(xiàn)應力集中。優(yōu)化前的鏈輪最大應力為168.2 MPa，同時最大應變?yōu)?.142 mm，優(yōu)化后的鏈輪最大應力值降低至156.7 MPa，同時最大應變?yōu)?.078 mm，最大應力減小了6.57%，最大應變減小了6.84%。通過優(yōu)化有效的降低了驅動鏈輪的最大應力值，保證了驅動鏈輪的平穩(wěn)運行，提升了刮板輸送機驅動鏈輪的使用壽命。

圖2 優(yōu)化后鏈輪應力（Pa）云圖

3 結論

1）分析了驅動鏈輪的磨損形式及其失效原因，并給出了疲勞損傷與壽命的關系曲線及損傷經(jīng)驗公式，為提升驅動鏈輪的使用壽命作出貢獻。

2）通過對齒根圓半徑、齒根圓弧半徑、鏈窩弧半徑等參數(shù)的正交實驗，找出了最合理的參數(shù)，并給出了齒根圓半徑，齒根圓弧半徑，鏈窩弧半徑的擬合曲線。

3）對優(yōu)化前后的應力云圖進行分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的鏈輪最大應力值降低至156.7 MPa，同時最大應變?yōu)?.078 mm，最大應力減小了6.57%，最大應變減小了6.84%。