刮板輸送機關鍵結構創新與優化設計

◎ 李召峰，王 錚，賈 煜，王佩琦，王振民

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001）

刮板輸送機可用于水平、傾斜和垂直方向輸送散體物料，特別適用于油脂加工廠含油物料的輸送和糧庫原糧的輸送。刮板輸送機的主要優點是使用范圍廣，輸送物料的種類多；刮板輸送機密閉性非常好，輸送過程不漏灰、漏料，能防塵、防水；工藝布置十分靈活，容易實現多點進料或多點出料；安裝簡單，操作、維修容易，運行平穩可靠。

1 刮板機概況

1.1 刮板機結構分析

刮板輸送機種類繁多，形式各異，可根據不同的原則加以分類。按照用途及使用范圍可分為普通型和特殊型，普通型刮板機用于輸送一般性能的粉塵狀、小顆粒狀和小塊狀物料，特殊型刮板機輸送機用于輸送有某些特殊性能的散裝物料。按固定方式分類可分為固定式和移動式，刮板輸送機的機體和驅動裝置均與基礎固接在一起，無法搬動稱為固定式。移動式較少見，一般只對機槽寬度較小、輸送距離不長的水平型刮板機采用移動式結構。按照承載性質可分為重型和輕型，輸送物料容重γ＞9.8 kN·m-3的為重型，輸送物料容重γ≤9.8 kN·m-3的為輕型。按照輸送鏈條的結構形式可分為模鍛鏈、滾子鏈和焊接彎板鏈[1]。本文主要研究普通型固定式輕型焊接彎板鏈刮板機，利用Inventor進行了三維建模，如圖1所示。

1.2 工作過程分析

刮板輸送機頭尾鏈輪分別安裝于頭部和尾部，頭部鏈輪主要用來驅動輸送鏈條運行，尾部鏈輪主要用來調節輸送鏈條的松緊程度。輸送鏈條和頭尾輪齒形互相嚙合，安裝在殼體內，刮板焊接在輸送鏈條兩側，并在刮板上安裝超高分子聚乙烯板帶動物料在殼體內行走，通過連續轉動的頭輪最終實現物料輸送。刮板輸送機的傳動裝置設計在頭部，可以靈活布置其方式，張緊裝置設計在尾部，通過轉動兩根絲桿帶動尾部兩側滑動板滑動調節鏈條的張緊。刮板機的進料口設計在尾部上蓋處，出料口設計在頭部底板。物料從進料口進入刮板機機殼，鏈條刮板首先帶動下層物料向機頭移動，上層物料靠下層物料的內摩擦力移動，最終在機頭出料口卸出[2]。

刮板機在運行過程中，不僅噪音大，阻力還非常大。因此，必須對中間段結構進行優化，降低噪音，減小運行阻力，從而降低整條設備的功率。頭尾鏈輪作為埋刮板輸送機重要的承力結構件，需要更高的可靠性及使用壽命。在刮板機所有的故障問題中，頭尾鏈輪的磨損失效是最常見一種。針對頭尾鏈輪磨損嚴重、壽命較短的問題，有必要對其結構進行優化設計，提升頭尾輪結構的耐磨性能。

2 刮板機關鍵結構的創新設計

2.1 中間段創新設計

目前國內刮板輸送機市場發展迅速，國外先進的輸送設備不斷充斥著國內市場，其先進性主要表現在埋刮板輸送機結構形式的改變。市場上現有刮板輸送機中間段結構件大同小異（見圖2），在中間段原結構中，U型槽板與圓鋼焊接組成托架，U型槽板不僅3面打孔還需要兩邊折彎，圓鋼兩端需要上車床打孔，打孔后還需要攻螺紋孔。耐磨鋼板作為導軌打孔后與導軌托架采用沉頭螺栓連接，組成導軌托架。這種結構存在很多缺點，主要有以下3點。①整個中間段結構復雜，浪費原材料。②加工工藝多，U型槽板需要折彎、打孔，圓鋼兩端定位孔不僅需要精加工還要攻螺紋孔，制作導軌托架耗費大量工時。③中間段即使在裝配過程中保證導軌托架高度一致，在現場安裝過程也很難保證兩節連接處導軌在同一水平面。因此設備運行需要較大的功率，噪聲也會很大。如果安裝誤差超過允許范圍，甚至可能拉斷輸送鏈條，嚴重可能損壞傳動裝置。

中間段原結構和新結構如圖2、圖3所示。針對刮板機目前市場結構存在的問題，本次中間段設計了一種新型結構。在中間段新結構中，中間段導軌托架選擇合適材料、連接方式，嚴格準確的設計以及易實現的制造工藝，進行輕量化設計，保證刮板機輸送、安全等性能不降低。采用一體式導軌托架，減重的同時增加了強度。托架橫撐采用型材空心方管制作無需打孔折彎攻絲，托架兩端連接板采用激光下料，整個托架可在胎具上完成焊接，保證托架制作精度[3]。上導軌采用NM400材料,一端超出中間段20 mm并向下彎曲，兩根導軌成八字形結構與托架方管焊接在一起，焊接時無需胎具，因為中間段兩塊側板與底板裝配完成后自成胎具，因此制作方便，并且裝配精度要求不高，導軌兩端開口大小誤差可以在1～20 mm內，高低誤差1～15 mm以內，能完美解決中間段連接處高低不平的問題，降低設備噪音、減小運行阻力。另外本次結構在底板中間鋪設耐磨鋼板作為下導軌，減少了輸送鏈條在運行過程中與底板的接觸面積，也很好地起到了降噪減阻的作用。整體結構用料少結構簡單容易制作，經濟效益顯而易見。

圖2 中間段原結構圖

圖3 中間段新結構圖

2.2 頭尾輪的創新設計

刮板機頭尾鏈輪齒形完全相同，唯一不同的就是輪轂內孔直徑不同。由于輸送鏈條是通過頭輪旋轉帶動行走，而尾輪則是輸送鏈條帶動其旋轉的，因此頭尾輪磨損失效是很常見的。但是磨損的只是刮板機頭尾輪中與鏈條接觸的部分，即頭尾輪齒片，因此沒必要將刮板機頭尾輪整體更換。傳統的頭尾輪結構整體更換時，首先需要拆除刮板機機頭、機尾的蓋板，然后拆掉軸承以及密封圈，拿掉側板，取出頭尾軸組件，最后拔掉頭尾輪。安裝時需要用手拉葫蘆將頭尾輪組件吊裝到位，然后對軸線進行找平，還要保證頭輪、尾輪軸互相平行并且垂直于輸送鏈條，最后組裝機頭尾。特別是對于機頭還要保證與驅動裝置的同軸度、水平度，因此安裝過程耗費很長時間。

本次頭輪創新設計采用裝配式頭尾輪，即輪轂（見圖4）與齒片（見圖5）采用裝配式結構，輪轂與齒片采用專用鉸制孔用螺栓和防松螺母連接，裝配時鉸制孔螺栓需成對安裝，并且相鄰螺栓要正反安裝（見圖6），這種安裝方法既保證了整個頭輪齒形精度，又可防止齒片與輪轂在長時間的運行過程中出現松動。齒片可單獨采用42CrMo制作，增加耐磨性。輪轂可繼續使用傳統45鋼制作，易加工整體非常經濟實惠。另外，齒片采用剖分式結構（見圖7），將整個齒片沿剖切線一分為二然后裝配在輪轂上[4]。本結構由于每個零部件重量輕，并通過螺栓連接，因此裝配方便快捷。當頭尾輪齒形磨損嚴重需要更換時，可以不用拆開整個機頭或者機尾，只需要拆掉上蓋板，松開輸送鏈條，就能直接更換鏈輪齒片，維修十分方便，又避免了因為整體更換使得其他完好的部件也被一起廢棄，造成不必要的浪費，節約了材料成本。

圖4 輪轂圖

圖5 齒輪圖

圖6 頭尾輪裝配示意圖

2.3 機頭結構優化

刮板機的驅動裝置一般安裝在機頭，因此設備運行過程中鏈條的拉力主要通過頭輪傳遞給側板，優化側板結構，不僅可以增強機頭穩定性，還可以使傳動更加平穩，增加減速機、聯軸器等使用壽命。

圖7 齒片剖切示意圖

2.3.1 模型建立

利用Inventor軟件建立機頭側板的三維簡易模型，本次建立兩種常用模型A和模型B（見圖8、圖9），這兩種模型的總重量十分接近，并且板厚相同。利用Inventor軟件環境中應力分析模塊，建立機頭側板的有限元模型[5-6]。通過應力分析和最大變形量來選擇最佳的機頭側板結構。

圖8 模型A示意圖

圖9 模型B示意圖

2.3.2 網格劃分

首先對機頭側板的材料屬性進行定義，材料設置為常用的Q235-A，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.26，材料密度為7.85 kg·m-3。采用自動網格劃分方式對機頭側板進行網格劃分，劃分后模型A包含311 736個節點，186 400個元素，模型B包含204 430個節點，118 302個元素，如圖10、圖11所示。

圖10 模型A網絡劃分圖

圖11 模型B網絡劃分圖

2.3.3 機頭側板靜力學分析

對兩個模型施加相同約束，即固定側板兩端法蘭。在軸承座板施加相同大小的均布力，力的大小為30 kN，方向朝向機尾端（見圖10、圖11中箭頭）。設定求解結果后，分別對兩個模型進行求解，求解結果如圖12～15所示。

圖12 模型A Mises等效應力圖

由圖12、圖13 Mises等效應力云圖，可以看出模型A最大等效應力為280.7 MPa，最大等效應力都主要集中在側板與軸承座板連接處，因此該處需要嚴格控制焊接質量，絕不允許出現任何缺陷，其余等效應力值均小于Q235-A的屈服強度235 MPa。模型B最大等效應力為359.9 MPpa，最大等效應力主要集中在側板與軸承座板連接處，另外側板上下法蘭以及軸承座板有7個區域的等效應力值在240 MPa左右，接近Q235-A的屈服強度235 MPa，非常容易發生塑性變形。

圖13 模型B Mises等效應力圖

由圖14、圖15變形云圖，可以看出模型A最大變形1.245 mm，最大變形位于軸承座板的外側兩端紅色區域，且變形區域很小。模型B最大變形1.817 mm，最大變形位于筋板和側板連接處紅色區域，且側板有很大區域發生變形。

圖14 模型A變形云圖

圖15 模型B變形云圖

從以上分析的結果可以看出，在用料接近的前提下，施加相同大小的作用力，模型A的最大等效應力小于模型B的最大等效應力，整體結構沒有超過Q235-A屈服強度，并且模型A變形量小于模型B，變形區域也很小。因此模型A的結構優于模型B的結構。

3 結論

通過對刮板機中間段結構的優化設計，減少了設備耗材，降低了制作工藝難度，設備運行阻力大和噪聲大的問題得到了有效解決。頭尾輪采用裝配式結構，生產制作以及后期維修成本大幅度降低。機頭側板結構優化后，設備傳動運行更加穩定，故障明顯減少。這些關鍵結構的創新與優化設計，使得刮板機運行平穩，延長了使用壽命，從而帶來一定的經濟效益。