不同工況下刮板輸送機(jī)減速箱箱體結(jié)構(gòu)性能的研究

郭樹偉

（太原東山東峰煤業(yè)有限公司，山西 太原 030043）

引言

刮板輸送機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，一旦其發(fā)生停機(jī)維修現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響整個(gè)礦井中的煤礦開采，保障其設(shè)備的穩(wěn)定及高效運(yùn)行、減少設(shè)備的運(yùn)行故障，已成為當(dāng)前企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)方向，而保障刮板輸送機(jī)中的減速箱箱體的結(jié)構(gòu)性能顯得尤為重要[1]。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，刮板輸送機(jī)經(jīng)常也出現(xiàn)超負(fù)荷作業(yè)，加上外界經(jīng)常受到較大的外界載荷沖擊，導(dǎo)致箱體在使用時(shí)也出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、定位銷斷裂等失效現(xiàn)象，對煤礦的開采效率及作業(yè)安全構(gòu)成了重要威脅，有必要對減速箱箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究[2]。為此，以SGZ1710型刮板輸送機(jī)箱體為分析對象，開展了該部件在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能研究，提出了箱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)的措施。這對保障刮板輸送機(jī)的高效生產(chǎn)及使用壽命具有重要意義。

1 刮板輸送機(jī)及減速箱結(jié)構(gòu)組成分析

礦用刮板輸送機(jī)作為煤礦開采中的關(guān)鍵設(shè)備，以SGZ1710型刮板輸送機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)頭、機(jī)尾、減速箱、刮板鏈條、皮帶、機(jī)槽、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部分，主要與其他設(shè)備進(jìn)行相互配合，負(fù)責(zé)對開采煤礦的有效傳輸。其中減速箱中包括了行星輪、太陽輪、行星架、多級傳遞齒輪、箱體等部分，是整個(gè)設(shè)備中的核心[3]。而由于刮板輸送機(jī)的作業(yè)工況相對復(fù)雜，加上經(jīng)常有煤礦碎石或煤灰掉入至減速箱中，加上箱體自身受到外界的無規(guī)律載荷作用，導(dǎo)致減速箱經(jīng)常出現(xiàn)各類問題。設(shè)備在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)如下問題：工作阻力較大，導(dǎo)致電機(jī)經(jīng)常處于超高功率載荷下作業(yè)；同時(shí)設(shè)備的經(jīng)常啟停使用，導(dǎo)致其受到了較大的沖擊載荷作用，對電網(wǎng)及傳輸帶造成了較大沖擊[4]。煤礦的較大沖擊，出現(xiàn)了卡鏈、鏈條損壞或斷裂等問題。箱體是減速箱中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)主要包括輸入箱體、輸出箱體、中間上/下箱體、定位蓋等零件，如圖1 所示，由于外界載荷的無規(guī)律沖擊，箱體使用時(shí)也出現(xiàn)了局部區(qū)域變形、局部開裂、定位銷斷裂等失效現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)失效，將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常開采作業(yè)[5]。為此，將重點(diǎn)對減速箱箱體結(jié)構(gòu)在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能開展分析研究。

圖1 減速箱箱體結(jié)構(gòu)組成圖

2 減速箱箱體模型建立

2.1 三維模型建立

為進(jìn)一步掌握刮板輸送機(jī)減速箱箱體的綜合性能，需對其進(jìn)行三維模型建立。為此，采用了Solidworks 軟件，結(jié)合SGZ1710型刮板輸送機(jī)中減速箱箱體的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，按照1∶1 比例，對其進(jìn)行了三維模型建立。由于箱體中存在工藝凸臺(tái)、軸承孔、倒角、圓角等特征，此些特征不僅會(huì)造成后文模型的網(wǎng)格劃分難度增大，也會(huì)對模型的分析精度構(gòu)成影響，故對模型中的圓角、倒角等非關(guān)鍵特征進(jìn)行了模型簡化，僅保留了箱體中輸入箱體、中間下箱體、定位蓋、中間上箱體、輸出箱體等部分[6]。

2.2 仿真模型建立

將所建立的箱體三維模型保存為x-t 格式后，將其導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對其進(jìn)行了有限元仿真模型建立。由于箱體在實(shí)際使用過程中采用了Q235材料，故在此軟件中將其材料設(shè)置為QT400-15 材料，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28，楊氏模量為161 GPa，并將此材料賦予給箱體。根據(jù)箱體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，確定了箱體的網(wǎng)格類型為實(shí)體單元類型，四面體網(wǎng)格，將箱體上關(guān)鍵受力部位進(jìn)行了10 mm的四面體網(wǎng)格劃分，對箱體上其余部件進(jìn)行了15 mm的四面體網(wǎng)格劃分，如圖2 所示。另外，對箱體底部連接孔處了進(jìn)行了tie 固定約束，各部件之間也進(jìn)行了tie 固定約束。由此，完成減速箱箱體的網(wǎng)格劃分。

圖2 減速箱箱體網(wǎng)格劃分圖

3 不同工況下結(jié)構(gòu)性能分析

由于刮板輸送機(jī)的作業(yè)工況相對復(fù)雜，作業(yè)工況也相對較多，故選用了兩種典型工況對減速箱箱體結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析研究，包括額定工況和最大輸出扭矩工況。其中，額定工況主要是在軸向前端施加-1.3×105N的徑向力和1.04×105N的切向力。而最大輸出扭矩工況則是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩設(shè)置為4.5×108N·mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 480 r/min。

3.1 額定工況下結(jié)構(gòu)性能分析

結(jié)合建立的減速箱箱體仿真模型，得到了箱體在額定工況下的應(yīng)力變化圖，如圖3 所示。由圖可知，箱體整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象相對較小，最大應(yīng)力值主要集中于下輸出箱體端的螺栓連接孔處，并沿四周呈逐漸減小的變化趨勢，這是由于螺栓孔處受到較大的螺栓載荷作用，導(dǎo)致輸出箱體上的應(yīng)力值較大；同時(shí)，在中間箱體的軸承座附近也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由于中間箱體的軸承座上承受著來自齒輪傳動(dòng)箱上的較大外界載荷作用。而箱體的定位蓋及其他區(qū)域的應(yīng)力值則相對較小。由此，找到了箱體在額定工況下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，箱體的輸出箱體上螺栓孔處及中間箱的軸承座是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在設(shè)計(jì)及使用時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 最大輸出扭矩工況下結(jié)構(gòu)性能分析

通過仿真分析，得到了箱體在最大輸出扭矩下的應(yīng)力變化圖，如圖4 所示。由圖可知，箱體整體結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在中間箱體的定位銷孔處的應(yīng)力值則相對較高，并沿四周呈逐漸減小的變化趨勢，分析其原因?yàn)槎ㄎ讳N孔處受到了來自液黏傳動(dòng)反方向的扭矩作用，產(chǎn)生了反向的剪切力，致使在其局部區(qū)域的應(yīng)力值相對較高。輸出箱體的中部螺栓孔及中間箱體的軸承座上也出現(xiàn)了相對較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力相對較大的原因和額定工況基本相同。由此可知，減速箱箱體在最大輸出扭矩工況下，中間箱體的定位銷孔及軸承座等區(qū)域是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，若長時(shí)間的使用，極可能率先在此區(qū)域發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，需重點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

圖4 最少輸出扭矩工況下箱體應(yīng)力（MPa）變化圖

結(jié)合兩種工況的應(yīng)力狀態(tài)對比可知，在箱體最大輸出扭矩工況下，箱體的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯比額定工況時(shí)更為明顯，且最大應(yīng)力集中區(qū)域更多，在此工況下作業(yè)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的可能性及風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更高。

4 減速箱箱體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

結(jié)合前文分析可知，減速箱箱體在兩種工況下均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在中間箱體定位銷孔處和軸承座處及輸出箱體的螺栓孔處是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位。為此，提出了減速箱箱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)的幾點(diǎn)措施。

1）可將減速箱箱體的材料設(shè)置為Q345 材料，可將其材料的屈服強(qiáng)度由235 MPa 提高至345 MPa，保證箱體結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）增加箱體中的輸出箱體螺栓連接孔四周的鋼板厚度2 mm，并在應(yīng)力集中的非關(guān)鍵區(qū)域開設(shè)直徑為2 mm的小孔，可實(shí)現(xiàn)將此區(qū)域集中的應(yīng)力有效轉(zhuǎn)移至小孔處，降低應(yīng)力集中現(xiàn)象；

3）增加中間箱體定位銷孔處鋼板的厚度2 mm，并在銷孔的左端也開設(shè)直徑為2 mm 小孔；

4）對中間箱體及輸出箱體應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)部加設(shè)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，增加局部區(qū)域的支撐強(qiáng)度；

5）定期對減速箱箱體內(nèi)添加潤滑油，保證箱體內(nèi)部各部件之間具有較好的潤滑性能，降低部件之間的磨損；

6）盡量保證箱體不處于高強(qiáng)度、高扭矩等工況下工作，使得箱體結(jié)構(gòu)受力均勻，不產(chǎn)生局部較大載荷作用。

5 結(jié)論

1）采用有限元分析方法來對刮板輸送機(jī)中關(guān)鍵部件的受力情況及結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究，以最經(jīng)濟(jì)、最高效的分析方法來找到部件存在的薄弱部位，已成為當(dāng)前開展關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)性能研究的重要方法。

2）箱體的中間箱體定位銷孔、輸出箱體的螺栓連接孔等區(qū)域均是其結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

3）針對箱體薄弱部位，從多方面對減速箱箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，為進(jìn)一步提高減速箱箱體的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命提供重要保障作用。