刮板輸送機驅動鏈輪強度分析與優化設計

郭志偉

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214）

引言

刮板輸送機作為煤炭生產運行的重要輸送設備，其主要承擔著將采煤機落下的煤炭輸送至帶式輸送機或者破碎機中的任務[1-2]。近年來，綜采工作面出現了大型化、智能化的發展趨勢，采煤設備需要進一步的優化升級，刮板輸送機的優化升級刻不容緩[3-5]。驅動鏈輪作為刮板輸送機鏈傳動系統的重要組成部件，其工作環境極為惡劣，受力情況極為復雜，驅動鏈輪與圓環鏈之間存在較為明顯的磨損問題，嚴重影響刮板輸送機的使用壽命[6]。為了進一步提升刮板輸送機的工作可靠性，提高刮板輸送機的運行效率和機械性能，以某型號刮板輸送機驅動鏈輪為研究對象，開展驅動鏈輪強度分析與優化設計工作具有重要的意義。

1 驅動鏈輪失效形式概述

刮板輸送機運行環境較為復雜，如潮濕、粉塵等，驅動鏈輪與鏈直接存在連續的相對運動，致使驅動鏈輪失效的主要形式為磨損及過渡磨損下的斷齒等。驅動鏈輪常見的磨損形式涉及疲勞磨損和磨粒磨損，以疲勞磨損為主，主要產生的原因是圓環鏈嚙入鏈輪鏈窩時，會在兩者的接觸位置出現較大應力，屬于循環交變應力。在往復交變的應力作用下，驅動鏈輪表面會形成微裂紋，隨著時間的推移，微裂紋擴展直至表面材料脫落形成凹坑，即產生了疲勞磨損。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

依據某型號刮板輸送機驅動鏈輪的工程圖紙及現場測繪的尺寸信息，運用SolidWorks 軟件建立的驅動輪的三維模型。為了提高仿真計算的效率，驅動鏈輪與圓環鏈三維模型建立時忽略了對仿真計算結果影響不大的圓角等特征。

2.2 材料屬性設置

將建立完成的驅動鏈輪與圓環鏈組件三維模型導入ANSYS 仿真計算軟件進行前處理，首先進行材料屬性的設置。圓環鏈材料牌號為23MnCrNiMo，其力學性能參數如下：彈性模量為210 GPa、泊松比為0.25，密度為7 860 kg/m3。驅動鏈輪的材料牌號為30CrMnTi，其力學性能參數如下：彈性模量為206GPa、泊松比為0.31，密度為7 860 kg/m3。根據上述參數完成驅動鏈輪與圓環鏈組件材料屬性的設置。

2.3 網格劃分

完成驅動鏈輪與圓環鏈組件材料屬性設置之后進行網格劃分，因結構較為復雜，選擇自由劃分網格功能。為了更好地體現仿真計算結果，對輪齒、鏈窩、齒根和圓環鏈進行網格細化設置，其中輪齒底面、鏈窩齒形圓側面和圓環鏈的單元邊長為3 mm，鏈窩齒根圓側面的單元邊長為1 mm，其余圓環鏈與鏈其他位置的單元邊長為10 mm。

2.4 約束設置

驅動鏈輪與圓環鏈之間接觸為摩擦接觸形式，需要設置摩擦系數，接觸面的靜摩擦系數設置為0.3，動摩擦系數設置為0.2。依據刮板輸送機實際工況，確定圓環鏈的拉力為7.3 kN，驅動鏈輪的中心孔設置為固定約束。仿真時長設置為0.1 s，子步數為10，完成上述前處理之后即可進行驅動鏈輪強度的仿真計算。

2.5 仿真計算結果

驅動鏈輪與圓環鏈組件強度仿真計算使用ANSYS 仿真軟件內部自帶的求解器進行，待仿真計算完畢，提取驅動鏈輪與圓環鏈嚙合位置的應力分布云圖，如下頁圖1 所示，為了更清晰地觀察驅動鏈輪的應力分布情況，將應力分布云圖中的圓環鏈進行了隱藏設置，如圖2 所示。

由圖1 和圖2 仿真計算結果可以看出，驅動鏈輪工作過程中鏈輪鏈窩位置的應力數值最大，最大應力為168.89 MPa，存在應力集中情況。仔細觀察驅動鏈輪鏈窩位置可以發現，鏈窩底部平面與鏈窩側面靠近中間立環槽的部分應力最大，驅動鏈輪除此之外的部分應力很小，可以忽略不計。由上述仿真分析結果可以看出，驅動鏈輪鏈窩出現疲勞磨損的主要原因是其工作過程中存在應力集中，隨著時間的推移，鏈窩表面材料將會出現疲勞剝落，出現疲勞磨損失效。

圖1 驅動鏈輪與圓環鏈應力分布云圖

圖2 驅動鏈輪應力分布云圖

3 驅動鏈輪參數優化

為了改善驅動鏈輪的受力狀態，提高驅動鏈輪的使用壽命和可靠性，需對驅動鏈輪參數進行優化設計，結合多年的工作經驗，確定了驅動鏈輪可以優化的參數包括短齒厚度、齒根圓弧半徑、齒形圓弧半徑、鏈窩弧半徑等。結合驅動鏈輪實際工作情況及優化改進的難易程度，此處選擇增加短齒厚度的方法進行驅動鏈輪參數優化，將短齒厚度由原來的45 mm增厚至45.5 mm。

4 優化效果評價

完成驅動鏈輪短齒厚度參數優化設計之后需要驗證優化設計的效果，運用SolidWorks 三維軟件修改驅動鏈輪的模型，之后導入ANSYS 仿真計算軟件進行前處理，要求前處理過程中的設置參數數值與優化設計之前保持一致，以便更好地分析優化改進的設計效果。完成優化驅動鏈輪有限元仿真分析前處理之后即可啟動自帶求解器進行強度仿真計算。

4.1 仿真分析

完成優化之后驅動鏈輪強度仿真計算之后提取驅動鏈輪與圓環鏈組件應力分布云圖，如圖3 所示，由圖3 可以看出，參數優化之后的驅動鏈輪的最大應力依然出現在鏈窩位置，在鏈窩中的應力分布與參數優化設計之前基本一致，不同的是鏈窩位置的最大應力數值為156.7 MPa。

圖3 優化驅動鏈輪應力分布云圖

4.2 優化結果分析

通過驅動鏈輪與圓環鏈組件仿真結果對比可以得出，將驅動鏈輪短齒厚度由原來的45 mm 增厚至45.5 mm 可以降低驅動鏈輪鏈窩的最大應力數值，優化之前的鏈窩位置的最大應力數值為168.89 MPa，優化之后鏈窩位置的最大應力數值為156.7 MPa。雖然短齒厚的尺寸僅僅降低約1.1%，但鏈窩位置的最大應力卻降低了近7.2%，由此可見，改進效果比較明顯。此處僅僅開展了增大短齒厚參數趨勢下的優化設計工作，取得了很好的優化效果，可以得出增大短齒厚尺寸可以降低驅動鏈輪鏈窩位置的最大應力，有利于提高驅動鏈輪的工作穩定性和可靠性。

5 結語

刮板輸送機作為井下綜采工作面內煤炭輸送的關鍵設備，其工作的可靠性至關重要。以某型號刮板輸送機驅動鏈輪為研究對象，分析了刮板輸送機驅動鏈輪常見的失效形式，借助ANSYS 仿真計算軟件，分析了刮板輸送機驅動鏈輪接觸強度，結果表明，驅動鏈輪鏈窩位置存在較大的應力。通過將短齒厚度由45 mm 增厚至45.5 mm 的方法進行了改進，仿真計算結果表明，驅動鏈輪鏈窩位置的應力降低了近7.2%，提高了刮板輸送機驅動鏈輪運行的可靠性。