關(guān)于刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的靜力學(xué)分析及其優(yōu)化研究

畢國生

（潞安化工集團慈林山煤業(yè)公司慈林山煤礦，山西 長子 046600）

引言

刮板輸送機是采煤工作面中非常重要的機電裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦物料的連續(xù)運輸，主要作用是將采煤機開采得到的煤礦物料輸送到帶式輸送機或者破碎機中，其性能好壞會對煤礦開采效率產(chǎn)生重要的影響[1]。隨著煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷提升，刮板輸送機也朝著大型化、高效化方向發(fā)展，這給刮板輸送機自身機械結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，有必要對其關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)件進(jìn)行升級改造[2]。驅(qū)動鏈輪是刮板輸送機中非常重要的傳動結(jié)構(gòu)件，工作時需要承受非常大的作用力，并且受力具有周期性的特點，容易產(chǎn)生疲勞損傷[3-4]。因此，有必要對刮板輸送機的驅(qū)動鏈輪進(jìn)行分析和研究，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[5]。本文主要以SGB420/17 型刮板輸送機為研究對象，對驅(qū)動鏈輪進(jìn)行靜力學(xué)分析并開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)工作，取得了很好的應(yīng)用效果。

1 驅(qū)動鏈輪靜力學(xué)模型的建立

1.1 三維模型的建立

本文主要以SGB420/17 型刮板輸送機驅(qū)動鏈輪為研究對象，該型號設(shè)備的裝機功率和輸送速度分別為17 kW 和50 t/h，設(shè)備整體長度為50 m，采用邊雙鏈的形式進(jìn)行驅(qū)動，其中鏈條的規(guī)格為Φ24 mm×50 mm，工作時鏈條的運行速度為0.78 m/s。驅(qū)動鏈輪方面，其總齒數(shù)為7 個，節(jié)圓直徑和外圓直徑分別為225 mm 和253 mm，立環(huán)槽直徑和寬度分別為164 mm 和20 mm。齒形弧半徑和齒根圓弧半徑分別為29 mm 和7 mm，鏈窩弧半徑和長度分別為25 mm 和82 mm，短齒厚度為46 mm。為了更加真實地反映驅(qū)動鏈輪的受力結(jié)果，在建立模型時嚴(yán)格按照驅(qū)動鏈輪的實際尺寸進(jìn)行建模，采用的建模工具為Solidworks 軟件。另一方面，為了在確保計算結(jié)果精度的同時，縮短模型計算時間，對于驅(qū)動鏈輪中的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，比如倒圓、倒角等均作忽略處理。如圖1 所示為SGB420/17 型刮板輸送機驅(qū)動鏈輪三維幾何模型。

圖1 驅(qū)動鏈輪的三維幾何模型

1.2 有限元模型的建立

將Solidworks 軟件建立的三維模型保存為IGS通用格式后，導(dǎo)入到Ansys 軟件中進(jìn)行有限元模型的建立。

首先，需要對模型的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。驅(qū)動鏈輪使用的材料為30CrMnTi，屬于合金鋼，具有相對很好的強度，其密度大小為7 860 kg/m3，彈性模量和泊松比分別為206 GPa 和0.3。另外，為了更好地完成驅(qū)動鏈輪的靜力學(xué)分析工作，還建立了鏈條的模型，其材料為24MnCrNiMo，密度與驅(qū)動鏈輪材料相同，彈性模量和泊松比分別為210 GPa 和0.25。

其次，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型和數(shù)量會對模型計算過程和結(jié)果產(chǎn)生比較重要的影響。為了保障結(jié)果進(jìn)度的同時，縮短模型計算時間，本研究中采用局部網(wǎng)格細(xì)化處理，即鏈輪中與鏈條接觸的部位網(wǎng)格劃分的較小，其他部位網(wǎng)格劃分的較大。選用的是六面體網(wǎng)格，最終劃分得到了網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為15 324 和17 693。如下頁圖2 所示為驅(qū)動鏈輪與鏈條的配合及網(wǎng)格劃分情況。

圖2 驅(qū)動鏈輪與鏈條的配合及網(wǎng)格劃分情況

最后，邊界條件設(shè)置。將鏈條與驅(qū)動鏈輪之間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.25，沿著鏈條方向上施加的作用力大小為7.3 kN。

2 驅(qū)動鏈輪靜力學(xué)結(jié)果分析

完成有限元模型的建立工作以后，就可以調(diào)用軟件中的分析計算模塊進(jìn)行計算。如圖3 所示為刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的靜力學(xué)有限元分析結(jié)果。由于驅(qū)動鏈輪工作時需要不停地旋轉(zhuǎn)，所以鏈輪的應(yīng)力狀態(tài)時刻發(fā)生變化。圖3 中所示為部分鏈齒的受力情況最大時的情形。由圖3 可以看出，鏈輪的應(yīng)力分布非常不均勻，應(yīng)力主要集中在為數(shù)不多的鏈齒上，絕大部分鏈齒的應(yīng)力幾乎為零。即便在同一個鏈齒上，不同位置的應(yīng)力分布也非常不均勻。應(yīng)力主要集中在鏈齒的鏈窩部位，更具體的是在鏈窩弧面靠近中間部位的應(yīng)力比較大，最大的應(yīng)力值為220 MPa。

圖3 驅(qū)動鏈輪的靜力學(xué)分析結(jié)果

刮板輸送機驅(qū)動鏈輪工作時需要做旋轉(zhuǎn)周期運動，意味著鏈齒鏈窩部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象也會呈現(xiàn)周期性變化。使得驅(qū)動鏈輪鏈齒部位特別容易出現(xiàn)疲勞損傷，從而加劇該部位的磨損，降低驅(qū)動鏈輪的運行可靠性，縮短其使用壽命。基于此，有必要對驅(qū)動鏈輪鏈齒鏈窩部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在確保外部工作環(huán)境相同的情況下，降低鏈窩部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化思路

已有的研究表明，驅(qū)動鏈輪所有的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，短尺厚度、齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑以及鏈窩弧半徑對結(jié)構(gòu)的受力情況影響最為顯著[6]。因此，本研究中選用以上四個結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化變量，以結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力集中最大值為優(yōu)化目標(biāo)開展優(yōu)化工作。如表1 所示為四個優(yōu)化變量的變化范圍。

表1 優(yōu)化變量及其變化范圍 mm

優(yōu)化工作仍然利用Solidworks 和Ansys 軟件進(jìn)行，基本的優(yōu)化思路就是根據(jù)以上四個優(yōu)化變量的取值進(jìn)行匹配，并根據(jù)匹配的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立有限元模型進(jìn)行分析，對不同組合形式的計算結(jié)果進(jìn)行對比，以驅(qū)動鏈輪應(yīng)力最小作為最終的優(yōu)化結(jié)果。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過分析計算后發(fā)現(xiàn)當(dāng)短尺厚度、齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑以及鏈窩弧半徑分別為46 mm、7 mm、29 mm 和24 mm 時，驅(qū)動鏈輪的應(yīng)力集中現(xiàn)象最不顯著，將以上結(jié)構(gòu)參數(shù)作為最終的結(jié)果。如圖4所設(shè)為優(yōu)化改進(jìn)后的刮板輸送機驅(qū)動鏈輪靜力學(xué)分析結(jié)果。由圖4 可以看出，優(yōu)化改進(jìn)前后驅(qū)動鏈輪的應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，即不同部位的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不均勻性。只有局部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而絕大部分位置的應(yīng)力都相對要小很多。另外，出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位仍然在鏈輪鏈窩區(qū)域。進(jìn)一步對比可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后應(yīng)力集中的位置出現(xiàn)了些許偏移，應(yīng)力集中的最大值為165 MPa。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后驅(qū)動鏈輪的靜力學(xué)分析結(jié)果

通過對驅(qū)動鏈輪的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得該結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)了很大程度的降低，由優(yōu)化前的220 MPa 降低到了優(yōu)化后的165 MPa，降低幅度達(dá)到了25%。考慮到驅(qū)動鏈輪工作時需要承受周期性載荷，應(yīng)力集中現(xiàn)象的削弱，意味著結(jié)構(gòu)件更不容易出現(xiàn)應(yīng)力損傷現(xiàn)象，能顯著延長結(jié)構(gòu)件的使用壽命，降低運行過程中出現(xiàn)故障的概率。

4 應(yīng)用效果分析

為了驗證驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的實際應(yīng)用效果，將以上優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到SGB420/17 型刮板輸送機中，并對其實際運行效果進(jìn)行了連續(xù)三個月時間的現(xiàn)場測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于沒有對驅(qū)動鏈輪的整體結(jié)構(gòu)做大的改進(jìn)，只是對局部結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，所以驅(qū)動鏈輪整體運行非常穩(wěn)定、良好，整個現(xiàn)場測試期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。對技術(shù)改進(jìn)前后驅(qū)動鏈輪結(jié)構(gòu)的故障率進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，通過此次技術(shù)改造，使得驅(qū)動鏈輪部位的故障率降低了30%以上。故障率的降低，不僅為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備維護保養(yǎng)成本，同時還延長了設(shè)備的開機時間，為煤礦開采效率的提升奠定了堅實的基礎(chǔ)。綜上，此次刮板輸送機驅(qū)動鏈輪的技術(shù)改進(jìn)工作，達(dá)到了預(yù)期效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

本文主要以SGB420/17 型刮板輸送機為研究對象，對驅(qū)動鏈輪的靜力學(xué)進(jìn)行分析，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)果如下：

1）通過靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)驅(qū)動鏈輪的鏈窩部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，再加上驅(qū)動鏈輪的周期性旋轉(zhuǎn)，使得鏈窩部位特別容易出現(xiàn)疲勞損傷，進(jìn)而出現(xiàn)故障問題。

2）以驅(qū)動鏈輪四個關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量開展優(yōu)化改進(jìn)工作，取得很好的效果，最大應(yīng)力值的降低幅度達(dá)到25%。

3）將優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到刮板輸送機工程實踐中，經(jīng)現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)運行良好，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟價值。