SG650 型刮板輸送機鏈條結構強度分析

趙海濤

（山西潞安集團蒲縣黑龍煤業有限公司，山西 蒲縣 041204）

引言

刮板輸送機結構簡單，安全可靠，輸送機由鏈條驅動，由刮板在槽內直接輸送散料，在鏈條的帶動下可以連續運行，極大地提高了煤炭運輸效率。輸送機不僅僅用于煤炭開采現場物料的運輸，同時也是掘進機運行的輔助軌道。鏈條作為輸送機的往復循環運動機構，特別是在重載工況下容易產生破損，對生產安全的影響巨大。

由于企業產能的擴大，刮板運輸機也朝著長距離、重型化方向發展，這對刮板輸送機的可靠性提出了更高的要求。因此確保刮板輸送機鏈條的可靠性意義重大，鏈條在實際使用過程中容易發生疲勞斷裂，特別是分析鏈條與鏈輪嚙合特征。基于有限元基本理論，分析鏈條在重載工況下應力應變情況；應用S-N 曲線，預測鏈條的使用壽命；分析對提高鏈條的可靠性以及使用壽命具有重要意義[1]。

1 常見刮板輸送機故障形式

根據相關統計資料，對近十幾年來礦用刮板輸送機故障特征統計分析可知，刮板運輸機發生故障的大部分原因是由于鏈輪與鏈條的故障。并且由于輸送機所處工作環境惡劣，使用工況復雜，且使用頻次高，工作強度大，由此導致鏈條與鏈輪的故障。鏈條與鏈輪之間載荷工況復雜，受外力作用影響鏈條與鏈輪之間產生接觸、摩擦、碰撞等作用力，在分析時需要格外注意。下面對刮板輸送機常見的故障類型做簡要分析[2]：

1.1 鏈輪故障

鏈輪故障的形式較多，常見如鏈條與鏈輪潤滑不充分，是鏈輪故障的最重要的原因；其次是鏈輪軸承失效，導致輸送機故障；最后是鏈輪密封圈失效，導致鏈輪組件故障。

1.2 鏈條故障分析

一般鏈條的故障特征有底鏈卡滯、圓環鏈斷裂等，鏈條在使用過程中預應力不足也容易導致故障。圓環的失效主要是因為在生產制造過程中存在潛在的缺陷，鏈條在工作狀態中磨損較多，當潤滑不足時，鏈條極易出現故障[3-4]。

1.3 刮板故障

刮板的故障主要是因為壓條變形或斷裂，導致刮板不能正常工作，在疲勞載荷的作用下刮板發生變形或斷裂，從而導致刮板輸送機的故障。

2 分析模型的建立

2.1 三維模型的建立

刮板輸送機是井下綜采工作面重要的運輸設備，具有運力大、效率高等特點，在刮板輸送機工作過程中，鏈條作為重要的驅動結構對保障設備的運行具有重要作用。鏈條驅動刮板不斷地將煤炭輸送出去。以輸送機驅動鏈條為研究對象，首先建立驅動鏈條的三維模型。

鏈條在多邊形效應作用下，會產生周期性的跳動，由此在鏈條的結構上產生周期性波動的疲勞載荷，從而導致鏈條發生疲勞斷裂。為了研究鏈條失效的機理，建立仿真模型與工程實際相對比，來分析鏈條失效特點[5]。

仿真分析中很難建立一個完整的刮板輸送機鏈傳動系統，鏈條之間的受力特征相似，可以建立一個簡化系統，選擇三鏈環為研究對象，鏈條模型如下頁圖1 所示，圓環規格為Φ34×126。模型兩側為平環，中間為立環，圓環材料為23MnNiCrMo。鏈環的材料屬性中，屈服極限為930 MPa，泊松比為0.25，剪切模量為5.6×10-4GPa，楊氏彈性模量為210.9 GPa，密度為7.86×103kg/m3，在有限元分析軟件中設置好材料參數[6]。

圖1 鏈條三維模型

2.2 載荷與邊界條件

根據圓環鏈條疲勞實驗的極限應力國家標準GB/T 12718—2009 查得，該規格的圓環鏈條疲勞實驗的最大最小拉力分別是585 kN 與75 kN。在鏈條上施加在最大與最小拉力之間的脈動循環載荷，載荷的幅值變化規律為正弦曲線變化規律。鏈條的一段固定約束，不同鏈環之間設置接觸約束，鏈條拉力作用于鏈條另一端，拉力為交變載荷。

2.3 網格劃分

模型網格劃分時采取四面體網格，對網格進行細化以提高有限元分析的精度，設置網格參考尺寸為2 mm，鏈條與鏈輪接觸位置網格細化處理，并設置表面接觸。

3 圓環鏈的疲勞分析

根據鏈條的分析結果，提取了圓環鏈的最大應力與應變結果，并模擬計算了圓環鏈的疲勞壽命。如圖2 所示，為鏈環1 的最大等效應力云圖，在鏈環1與鏈環3 相接觸的地方產生了最大應力，最大應力值為999.35 MPa，而圓環的材料屈服強度為920 MPa，由此可能在圓環鏈應力比較集中的區域產生塑性變形。鏈條在循環疲勞載荷的作用下，容易產生疲勞斷裂，從而導致鏈環產生裂紋發生斷裂，嚴重影響到鏈條的使用壽命。

圖2 鏈環應力分布情況

如圖3 所示，為鏈環應變分布結果，圓環兩端與其他鏈環相接觸的區域應變較大，在鏈條彎臂外側同樣存在較大的應變。從圖中可以看出鏈環的連接處最大應變值達到了2.83×10-3，應變較大的區域容易萌生疲勞裂紋。

圖3 鏈環應變分布情況

如圖4 所示為圓環鏈疲勞壽命分析云圖，根據計算結果可知圓環鏈直線段與圓弧過渡段相接觸的區域疲勞壽命較短，該區域的交變應力幅值為524.61 MPa，結合實際工作經驗，鏈條的斷裂大部分情況發生在直線段與圓弧段過渡的區域。鏈環1 與鏈環3 相接觸的區域疲勞壽命為261.5～1 146.8 次循環，但由于鏈條之間的接觸面積較小，因此接觸區域也容易對圓環鏈的正常工作造成重要影響。

圖4 鏈環壽命云圖

4 圓環鏈疲勞斷裂金相組織分析

為了研究鏈條斷裂的機理，結合仿真分析的結果，構建圓環鏈的實物破壞實現分析，如圖5 所示為圓環鏈斷裂的實物圖，試件斷裂的位置為直線段與圓弧過渡段的銜接位置。根據試件斷口的形式，可以明顯觀察到斷口處疲勞源、疲勞區、瞬斷區之間的差異，分析圓環鏈金相組織，斷口的形貌特征為典型的疲勞斷裂形貌特征，由于微小裂紋在疲勞載荷以及銹蝕的共同作用下，產生疲勞斷裂，與圓環鏈仿真分析的結果基本一致。

圖5 鏈條斷裂斷口形狀

5 結語

鏈條是刮板輸送機重要的傳動部件，鏈環的可靠性對設備整機的使用壽命具有重要影響，因此基于有限元分析方法對圓環鏈的力學特性進行分析，并結合圓環鏈疲勞斷裂試驗分析圓環斷裂特征。根據Workbench 仿真分析結果，圓環鏈應力最大和壽命最小的區域在鏈環之間相互接觸的區域，而最大應變值出現在鏈環的彎臂與直臂相接觸的位置。結合圓環鏈疲勞斷裂的試驗結果，證明圓環彎臂的圓弧內側是鏈環的薄弱環節，容易產生疲勞斷裂。