SGZ800 型刮板輸送機減速器箱體的結(jié)構(gòu)性能研究

李 澤

（大同煤礦集團朔煤小峪煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 038300）

引言

煤礦資源作為國家快速發(fā)展的重要能源，實現(xiàn)對其資源的大量開采，已成為提升國家綜合實力，實現(xiàn)經(jīng)濟快速增長的關(guān)鍵方向。礦用刮板輸送機作為煤礦開采的的三大礦機之一，保障其設(shè)備的高效、安全運行，成為企業(yè)重點考慮問題[1]。然而，刮板輸送機中的減速器箱體在使用過程中，由于受到較大的外部載荷沖擊作用，加上該部件的長時間超負荷運行，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的局部變形、裂縫等失效現(xiàn)象，此事故一旦發(fā)生，將給煤礦的開采效率及作業(yè)安全構(gòu)成嚴重威脅[2]。為此，結(jié)合當前成熟的有限元分析技術(shù)，對減速器箱體進行結(jié)構(gòu)性能研究顯得十分必要。因此，以SGZ800 型刮板輸送機為分析對象，在對該設(shè)備中的減速器箱體特性分析基礎(chǔ)上，開展了減速器箱體在不同工況條件下的結(jié)構(gòu)性能研究，并對箱體進行了優(yōu)化改進設(shè)計，這對提升減速器箱體的結(jié)構(gòu)性能具有重要作用。

1 減速器箱體結(jié)構(gòu)特性分析

刮板輸送機的減速器箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括輸入箱體、輸出箱體、定位鍵、中間箱體、定位蓋等部分，各部分之間通過螺栓進行剛性連接，通過箱體上定位鍵及定位蓋上的卡口，可將其固定在刮板輸送機上的機架上[3]。而減速器箱體是整個刮板輸送機上的關(guān)鍵部件，在設(shè)備運行過程中起到重要的支撐、齒輪保護及減振等作用，保證其結(jié)構(gòu)具有較強的結(jié)構(gòu)強度及剛度至關(guān)重要[4]。其中，箱體內(nèi)部由于存在一套較為完整的齒輪傳動系統(tǒng)，嚙合過程中會通過傳動軸將沖擊作用力傳遞至箱體結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致箱體在整個過程會產(chǎn)生不同程度的振動現(xiàn)象，隨著運行時間的加長及自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致箱體出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。箱體的失效包括靜態(tài)和動態(tài)失效，而動態(tài)失效則是由于箱體受到外部不同程度的連續(xù)沖擊所致。在減速器箱體的設(shè)計及生產(chǎn)中，經(jīng)常會采用增加箱體的結(jié)構(gòu)厚度及內(nèi)部加強筋設(shè)計等，這雖一定程度上保證了箱體具有更高的結(jié)構(gòu)性能，但也增加了部件的材料耗損及生產(chǎn)成本。利用當前成熟的分析技術(shù)，使減速器箱體結(jié)構(gòu)的綜合性能得到顯著提升，并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，已成為當前在部件結(jié)構(gòu)設(shè)計中重點考慮問題。因此，對減速器箱體進行結(jié)構(gòu)性能研究顯得十分必要。

2 減速器箱體的模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步分析減速器箱體在使用過程中的結(jié)構(gòu)性能，采用SOLIDWORKS 軟件，選用SGZ800 型刮板輸送機為分析對象，對該設(shè)備中的減速器箱體進行三維模型建立，主要包括箱體輸入、輸出、中間、定位鍵及定位蓋等部分[5]。由于箱體的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，為提高后文對結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分質(zhì)量及分析精度，對箱體上的圓角、倒角、非關(guān)鍵部位的較小圓孔進行模型簡化，僅保留了箱體上的關(guān)鍵部件，不僅縮短了箱體的分析時間，也避免了出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證了箱體的分析結(jié)果更加符合實際使用環(huán)境。所建立的減速器箱體三維模型如下頁圖1 所示。

2.2 仿真模型建立

將建立的箱體三維模型導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對其進行有限元仿真模型建立。在該軟件中，首先對模型中各模塊間進行固定約束，使其連接緊固。結(jié)合箱體的實際使用材料，將其材料設(shè)置為Q460 鋼材料，保證所建立的模型符合箱體的實際情況，箱體材料的關(guān)鍵參數(shù)如下頁表1 所示[6]。

結(jié)合箱體的結(jié)構(gòu)特點，在軟件中對其進行了四面體網(wǎng)格劃分，關(guān)鍵部位的網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，非關(guān)鍵部位的網(wǎng)格大小設(shè)置為12 mm，最終劃分的四面體單元為1 345 345 個，箱體的網(wǎng)格劃分圖如圖2 所示。

圖1 減速器箱體三維圖

表1 Q460 鋼材料主要性能參數(shù)

圖2 減速器箱體網(wǎng)格劃分圖

3 不同工況下箱體的結(jié)構(gòu)性能分析

箱體的實際運行工況相對較多，故主要對箱體在額定工況及最大工況條件下進行結(jié)構(gòu)性能研究。在額定工況下，在輸入箱體上施加的轉(zhuǎn)矩為3×108N·mm，分析時間設(shè)置為0.15 s，而最大工況條件下則在出入箱體上施加3.85×108N·mm 的轉(zhuǎn)矩，其他條件相同。

3.1 箱體額定工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過分析，得到了箱體在額定工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，箱體整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，其中，中間箱體上的定位鍵及定位蓋等區(qū)域的應(yīng)力相對更高，沿中間箱體的四周呈逐漸減小的變化趨勢，分析其原因為定位鍵附近是整個結(jié)構(gòu)的受力部位，外界的箱體重力及傳動載荷力基本集中在定位鍵上及定位蓋上。箱體的輸出箱體上的中間過渡連接處及連接螺栓處也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但相對較小。由此得出，箱體中間定位蓋及定位鍵附近為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，隨著箱體的長時間無規(guī)律運轉(zhuǎn)，極可能率先在此區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或開裂等失效現(xiàn)象，影響刮板輸送機的運行效率。

圖3 箱體額定工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

3.2 箱體最大工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖4 為箱體在最大工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化圖。由圖可知，箱體在最大工況下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與額定工況下基本相同，整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了更為明顯的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，箱體中部的定位鍵及定位蓋的應(yīng)力最大，在中間箱體的兩端也出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中。而箱體輸出箱體的中部的應(yīng)力值也相對較大。由此可知，箱體在最大工況下更容易率先在定位鍵及定位蓋附近出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形或開裂現(xiàn)象，輸出箱體的中部區(qū)域也相對薄弱，需對箱體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進研究。

圖4 箱體最大工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

4 箱體的優(yōu)化改進分析

結(jié)合前文分析，箱體在兩種工況條件下均出現(xiàn)了較大程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力值超過了材料的屈服強度，箱體的長期運行使用，將給刮板輸送機的高效運行造成重要威脅。為保證箱體的安全運行，對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進設(shè)計，優(yōu)化改進后的中間箱體和輸出箱體圖如圖5 和圖6 所示。主要包括如下幾點：

1）將箱體的材料由現(xiàn)有的Q460 改變?yōu)閺姸雀叩?0Cr 材料，可有效提高材料的屈服強度，以滿足箱體在不同工況下使用需求；

2）將箱體定位蓋的厚度增加2 mm，并增加定位鍵的鍵寬和鍵深約2 mm；

3）對箱體上輸入箱體的前后側(cè)面進行減薄，內(nèi)部隔板厚度增加3.5 mm，而輸出箱體與及機架連接處鉆Φ10 mm 的螺紋孔，以實現(xiàn)兩部件的更牢固連接；

4）在減速器箱體上應(yīng)力集中周邊的非關(guān)鍵區(qū)域開設(shè)直徑為2～3 mm 的通孔，形成塑性鉸，使得集中應(yīng)力向此小孔處進行轉(zhuǎn)移，以實現(xiàn)對集中應(yīng)力的有效緩解。

圖5 改進后的中間箱體

圖6 改進后的輸出箱體

5 結(jié)論

結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場使用出現(xiàn)的故障問題，不斷對其結(jié)構(gòu)性能進行分析研究，是有效保證設(shè)備高效及安全運行的重要方法。在刮板輸送機減速器箱體使用過程中，定期對其進行故障檢測及維護保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形或開裂等故障失效現(xiàn)象時，應(yīng)及時采用有效的維修措施，并對結(jié)構(gòu)失效原因進行分析研究，找到其失效規(guī)律。為此，以SGZ800 型刮板輸送機為分析對象，對其設(shè)備中的減速器箱體在不同工況下進行了結(jié)構(gòu)性能研究，得出了箱體的定位蓋、定位鍵出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，為整個箱體中的最為薄弱部位，并由此對箱體進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進設(shè)計。此研究對提升減速器箱體的結(jié)構(gòu)性能具有重要作用。